張 軍 王 勇 郝萬兵 楊 磊 郭鵬程

(西安電子工程研究所 710100 西安)

0 引言

在傳統(tǒng)的目標(biāo)識別中，雷達發(fā)射和接收電磁波的極化方式是不變的，稱作單極化雷達目標(biāo)識別。單極化方式只能反映出雷達目標(biāo)在固定收發(fā)方式下的極化特性，而目標(biāo)在不同的極化電磁波照射下，電磁散射特性是不同的，通過不同極化方式的接收，就可以得到目標(biāo)更加全面的極化信息，基于此的目標(biāo)識別稱作全極化目標(biāo)識別。

1950年，學(xué)者George Sinclair 提出著名的“Sinclair 極化散射矩陣”［1］，即在特定的姿態(tài)和頻率下，可以用一個2 ×2 的復(fù)散射矩陣來描述雷達目標(biāo)的散射特性，開啟了雷達極化信息處理的研究。早期的極化目標(biāo)識別主要是直接依據(jù)散射矩陣元素進行的，其中Bickel 和Lowebshuss 在對極化散射矩陣變換和目標(biāo)表征的研究基礎(chǔ)上，提出了三參數(shù)軌跡法，并將其應(yīng)用于目標(biāo)識別。1965年，Bickel 提出了不隨目標(biāo)繞雷達視線方向的旋轉(zhuǎn)或者雷達極化基改變的極化不變量，并指出它們是可用于目標(biāo)識別的良好特征［2］。以上極化雷達目標(biāo)識別方法都是對目標(biāo)宏觀散射特性的分析和描述，而對目標(biāo)局部散射特性的描述甚少。其實最有希望解決目標(biāo)識別問題的方向是將高分辨目標(biāo)識別技術(shù)和全極化加以綜合。Kennaugh 和Boerner 等都強調(diào)了高分辨背景下目標(biāo)極化特性研究。Cameron、Huynen、Krogager 等人相繼提出了基于極化散射矩陣分解的目標(biāo)識別方法，即將目標(biāo)分解為若干個子散射體疊加的形式，每一個子散射體對應(yīng)著確定的物理散射機制。之后又出現(xiàn)了Mueller 矩陣、Kennaugh 矩陣等表征方式。這些表征方式極大地推動了極化理論的進一步完善，促進了極化檢測、極化濾波、極化識別等極化技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

在全極化雷達高分辨距離像(HRRP)目標(biāo)識別方面，通常有兩種方法:一種將距離像信息與極化信息按照某種規(guī)則結(jié)合起來提出了距離像-極化多維匹配識別方法。另外一種是使用多數(shù)投票準(zhǔn)則和證據(jù)理論準(zhǔn)則(D-S)對四種極化狀態(tài)下的HRRP 的識別結(jié)果進行融合。

圖1 雷達自動目標(biāo)識別系統(tǒng)框圖

1 極化測量體制

極化雷達測量體制，發(fā)端于早期出現(xiàn)的變極化、雙極化雷達;伴隨著后期技術(shù)的不斷進步，軟硬件水平的不斷提高以及高測量精度的需求，繼續(xù)從變極化雷達體制、雙極化測量體制發(fā)展到全極化雷達體制，從分時極化測量體制發(fā)展到同時極化測量體制。

1．1 變極化雷達體制

這種雷達體制只需要一路發(fā)射通道和接收通道，通過極化選擇開關(guān)來實現(xiàn)發(fā)射極化狀態(tài)的改變，接收時采用同極化接收。這種測量模式由于只能利用連續(xù)兩個脈沖測量得到目標(biāo)極化散射矩陣的同極化分量，并且對轉(zhuǎn)換開關(guān)和脈沖重復(fù)周期有嚴格要求，故只有少數(shù)警戒雷達為了特定的目標(biāo)探測和抗干擾需要，在頻率分集時采用這種體制。

1．2 雙極化測量體制

在原有單極化雷達基礎(chǔ)上增加一副正交極化天線及對應(yīng)的接收通道就可使其具有部分極化測量能力，稱此種體制雷達為雙極化測量雷達。在這種模式下，每個PRI能得到極化散射矩陣的一列元素。通過對兩路正交極化接收信號的融合處理，用于增強其目標(biāo)檢測和抗干擾性能，可將信噪比提高幾個分貝。比如美國的Millstone Hill 跟蹤雷達、ALTAIR導(dǎo)彈防御雷達。但是，受其極化測量能力的限制，這種體制雷達在提高雷達目標(biāo)分類和識別能力等方面的作用有限。

1．3 全極化測量雷達體制

1.3.1 分時極化測量體制

該體制雷達以PRI為周期輪流發(fā)射正交極化信號，并同時接收H、V 極化信號，利用連續(xù)兩個脈沖測量得到完整的極化散射矩陣。分時極化測量雷達具有一路極化可變的發(fā)射通道、兩路獨立的正交極化接收通道，主要用于戰(zhàn)場偵查與監(jiān)視、防空反導(dǎo)、地理遙感和氣象探測等。

一般而言，分時極化測量雷達通過對多個脈沖的處理能夠獲得目標(biāo)的完整極化散射矩陣，但該體制雷達存在以下固有缺陷:

(1)對極化散射特性快起伏、非平穩(wěn)目標(biāo)(包括結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或運動速度較快的飛機，導(dǎo)彈等)，該體制會造成目標(biāo)散射矩陣的兩列元素測量值間產(chǎn)生去相關(guān)效應(yīng);

(2)由于目標(biāo)運動引起的多普勒效應(yīng)會造成目標(biāo)散射矩陣的兩列元素測量值之間產(chǎn)生相位差，利用相位補償技術(shù)難以達到理想的測量精度;

(3)發(fā)射通道極化切換器件存在固有的交叉極化耦合干擾，對極化測量精度產(chǎn)生不利影響。

1.3.2 同時極化測量體制

同時極化測量體制的核心思想是雷達發(fā)射信號由兩個具有一定帶寬的調(diào)制信號相干疊加得到，兩個正交極化通道的發(fā)射波形盡可能正交，然后對雷達回波信號同時進行兩路正交波形的相關(guān)接收，利用信號調(diào)制的正交性分離出不同發(fā)射極化對應(yīng)的回波，從而利用一個脈沖重復(fù)周期得到目標(biāo)極化散射矩陣4 個元素的估計值。

同時極化測量體制可以實現(xiàn)對動態(tài)、時變的全極化信息進行獲取，處理和利用，從而極大提高雷達在目標(biāo)檢測、抗干擾、目標(biāo)識別和參數(shù)反演方面的能力。

1．4 簡縮極化測量體制

全極化SAR 能夠提供更多的目標(biāo)散射信息，揭示更準(zhǔn)確詳盡的目標(biāo)地物特性。但該系統(tǒng)對存儲空間及采樣頻率要求較高。為了緩解硬件壓力，同時提高數(shù)據(jù)采集速率，擴大場景錄取范圍，簡縮極化SAR 模式從提出以來就備受關(guān)注。

這種測量體制主要用于空間SAR 探測中。一種是π/4 模式，即發(fā)射45°線極化信號，同時接收H、V 極化信號;另一種是發(fā)射圓極化信號，同時接收H、V 極化信號。這種體制的優(yōu)勢在于制造工藝相對簡單，具有自校準(zhǔn)特性，不易受到噪聲和交叉極化通道影響。表1 從五個方面對5 種極化測量體制進行比較。從表1 可以看出，同時極化測量體制雖然系統(tǒng)復(fù)雜度高，但其信號處理能力和極化測量能力也高。

表1 極化測量體制比較

2 基于極化分解的目標(biāo)識別算法

2．1 極化散射矩陣

1950年Sinclair 首次提出著名的“Sinclair 極化散射矩陣”的概念。其特定姿態(tài)和輻射源頻率下的極化散射特性可以由一個2 ×2 的復(fù)的二維散射矩陣來表示。如果給定矩陣中所有元素的相位和幅度，S 矩陣能夠?qū)⒛繕?biāo)散射的能量、相位、極化特性統(tǒng)一的表示出來，完整的描述目標(biāo)電磁散射特性。

在遠場條件下，電磁波可以看作是平面波，在選定散射空間坐標(biāo)系及相應(yīng)的極化基后，整個散射過程就可以看作是一個線性變換過程:

Es= SEi

即

其中的S 矩陣就是所謂的Sinclair 極化散射矩陣，r 表示接收天線和雷達目標(biāo)之間的距離，為電磁波的波數(shù)，S 矩陣中元素兩個下標(biāo)分別代表接收電磁波的極化方式和發(fā)送電磁波的極化方式，例如表示以水平極化方式發(fā)送電磁波，以垂直極化方式接收電磁波。

2．2 相干分解

相干分解是基于極化散射矩陣S 的分解方法，其主要思想是將任意的S 矩陣分解成若干散射矩陣的和的形式，每一個矩陣對應(yīng)著某種確定的散射機制，即:

其中si代表標(biāo)準(zhǔn)的極化散射矩陣，并且假設(shè)各矩陣具有獨立性;αi代表si的權(quán)值系數(shù)，代表該成分在S 矩陣中所占的比重。

2.2.1 Pauli 分解

Pauli 分解的表達式為S=aSa+bSb+cSc

表2 Pauli 分解的物理意義

Pauli 分解的優(yōu)點是形式簡單，且Pauli 基為完備正交基。它的缺點是，分解對應(yīng)的物理散射機制只有奇次散射和偶次散射兩種，不能完整描述目標(biāo)的散射特性。a 表示奇次散射機制;b 表示偶次散射機制;c 表示旋轉(zhuǎn)45°偶次散射。直接利用最大值歸一化后的|a|2、|b|2和|c|2作為特征就可以進行識別。

3 實驗結(jié)果

本文利用全極化SAR 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集區(qū)域為美國舊金山海岸，左邊是舊金山的海岸與海灣，右邊是太平洋，近海處停放了四艘較大的艦船，建筑物區(qū)域位于左側(cè)海岸。如圖2所示，該SAR 圖像是四個極化通道合成的偽彩圖為了識別艦船目標(biāo)，首先對艦船附近的海面特性進行分析，截取的目標(biāo)區(qū)域選取海雜波區(qū)域，橫坐標(biāo)(550，650)縱坐標(biāo)(750，900)，X軸代表樣本數(shù)，Y 軸代表強度。

從圖3 可以看出，同極化通道的信噪比相當(dāng)，約為16dB，而交叉極化的信噪比強度比同極化通道信噪比強度大概高10dB。雖然海雜波的強度在不同的極化通道相差較大，但其近似于均勻分布。

圖2 全線極化通道的SAR 圖像

圖3 不同極化通道海雜波的HRRP 的強度對比

圖4 海雜波特性擬合

通常，在低海情的情況下，韋布爾分布的擬合效果較好，而高海情下對數(shù)正態(tài)分布的擬合較好。從圖3 擬合效果來看，所選區(qū)域的海情較低，這與其靠近海灣的地理位置相符。

圖5 選取艦船區(qū)域:橫坐標(biāo)(555，，601)，縱坐標(biāo)(101，250)進行Pauli 分解

圖6 選取建筑物區(qū)域:橫坐標(biāo)(50，200)，縱坐標(biāo)(200，350)進行Pauli 分解

圖7 選取海雜波區(qū)域:橫坐標(biāo)(550，750)縱坐標(biāo)(600，800)進行Pauli 分解

由艦船和建筑物的pauli 分解可知，場景中目標(biāo)的二面角分量較多，因此偶次散射b、c 較強。艦船二面角和45°二面角分量比建筑物對應(yīng)分量多，該特征可用于艦船和建筑物目標(biāo)的分類。海面由于奇次散射，因此a 分量較強。

4 結(jié)束語

圖5 艦船區(qū)域的Pauli 分解

圖6 建筑物區(qū)域的Pauli 分解

圖7 海雜波區(qū)域的Pauli 分解

利用公開的舊金山的全極化SAR 數(shù)據(jù)，根據(jù)四個線極化通道合成偽彩色圖像，實現(xiàn)對場景進行初步認知。利用四個線極化通道海雜波的HRRP 的強度對比，比較同極化通道和交叉極化通道的信噪比強度。通過對目標(biāo)進行Pauli 分解得到場景中奇次散射和偶次散射分量，從而完成對海雜波、建筑物和艦船的相干分解分量的研究。

［1］Sinclair G...The transmission and reception of elliptically Polarized radar waves ［J］.Proc.IRE，1950，38(2):148-151.

［2］Brichel S.H，Some invariant properties of the polarization scattering matrix［J］.Proc.IEEE，1965:1070-1072.

［3］Krogager，E.，A new decomposition of the radar target scattering matrix［J］，Electronics Letter，1990，26(18):1525-1526.

［4］C.J.C.Burges，A tutorial on support vector machines for pattern recognition［J］.Data Mining and Knowledge Discovery，1998，2:121-167.

［5］J.R.Huynen.A new approach to radar crosssection measurements ［J］.IRE Internal Conv.，1962.