极化SAR 迎来黄金时期，极化雷达理论与遥感应用新成果

传统雷达是利用反射信号的时间延时和反射波的强度来监测目标的一种系统设备。随着雷达技术的发展和计算机技术的日新月异，能够同时测量反射波相对相位的雷达系统，即所谓的极化雷达越来越受到人们的重视。使用极化雷达系统进行观测，测量的数据不再只是雷达目标的雷达横截面积(radar cross section, RCS)，而是一个2×2 的散射矩阵。与传统雷达相比，极化雷达的突出优点在于测量数据包含了更多的目标信息量，因而在国际上引起了极大的关注。

极化雷达自Sinclair 教授提出以来，已经过去了73 年。经过Kennaugh、Huynen、Boerner 为代表的一批优秀学者的不懈努力，极化雷达的优势终于被人们所熟知，并在很多方面得到应用。另外，从20 世纪70 年代开始，随着合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)技术的日益成熟，SAR 的各种应用研究已日益受到各国的重视；而极化雷达测量所得到的目标信息量远远高于普通雷达，很自然就出现了极化雷达与SAR 系统的结合，从而导致20 世纪80 年代极化SAR 系统的问世。迄今为止，具有代表性的机载全极化SAR 有美国的AIRSAR、加拿大的CV-580 SAR、日本的PI-SAR-1 及PISAR-2、德国的E-SAR 及F-SAR 等。

美国国家航空航天局(NASA)在1994 年和2000 年三次发射分别使用搭载在航天飞机上的极化SAR 系统SIRC/X-SAR，对包括中国在内的世界上很多区域进行了成功的测量，在国际上引起了极大的关注。此外，星载的全极化或双极化 SAR 也相继投入使用。2002 年欧洲发射的 Envisat 搭载有可变双极化的 SAR系统，即 A-SAR；2006 年日本发射的ALOS-1 卫星上搭载了具有全极化观测模式的 SAR系统，即 PALSAR-1；2007 年加拿大发射的星载 SAR 即 Radarsat-2 和欧洲发射的TerraSAR-X 也都有全极化模式；2010 年欧洲空间局又发射了TerraSAR-X 的姊妹星TanDEM-X；2014 年日本再次发射了ALOS-2 卫星，同样具有全极化的观测模式；2016年 8 月，我国发射了搭载有全极化 SAR 的高分3 号卫星。在今后10 年，世界发达国家还将有一系列的星载极化SAR 发射，因而国际雷达遥感专家称极化SAR 将迎来黄金时期。

与传统SAR 相比，由于极化SAR 可以为我们提供更为丰富的目标信息，因此极化SAR 在军事侦察、农业估产、资源规划、环境监测、地质勘探等诸多方面具有很成功的应用。例如

• 在军事方面，可以利用全极化SAR 数据来检测甚至识别某些军事目标，此外还可以利用全极化SAR 数据对地面战场环境进行侦察解译。

• 在海洋学方面，可以利用全极化SAR 数据对风场和海浪谱进行反演，此外还可以对冰川或海洋浮冰的类型及厚度进行反演。

• 在林业和农业的应用方面，可利用全极化散射信息研究地表植被的参数，包括土壤湿度、植被高度、植被区域散射体的形状、地表粗糙程度以及地表坡度等。

• 极化SAR 还可以应用于水文和地质研究领域，它可以帮助我们寻找水源，了解有关岩石等地质构造，其对于寻找矿藏有一定的辅助作用。

• 遥感在考古学、城市规划等领域也有很多应用。例如，借助于AIRSAR 数据，人们发现了吴哥窟新的建筑遗址，从而把吴哥窟的历史提早了300 年；借助于SIR-C/X-SAR 数据，可以发现我国西部埋在沙土下的长城。

目前，虽然国内外已经成功研制出多个波段的机载和星载全极化SAR 系统，但如何充分利用全极化 SAR 所提供的目标信息，将直接关系到全极化 SAR 在实际中的具体应用，开展对极化雷达的理论研究和应用基础研究是十分重要和必要的。

《极化雷达理论与遥感应用》（杨健，殷君君著. 北京：科学出版社，2020.3）一书系统介绍了作者在过去20 多年的部分研究成果，包括作者在最优极化理论、等功率曲线、目标极化特征提取、极化 SAR 斑点滤波、最优极化对比增强技术、目标检测、目标分类、紧缩极化 SAR 等方面的研究成果。

• 第1 章对极化雷达、极化SAR 及其应用的历史和发展做了一个简要的回顾；

• 第2 章对极化中的基本概念和基本原理予以简单介绍，包括极化状态的定义、极化比、Stokes矢量、坐标系统、Sinclair 散射矩阵、Graves 矩阵、Kennargh 矩阵等，此外，还给出了Huynen 参数和一些典型目标的Sinclair 散射矩阵；

• 第3 章着重介绍作者在最优极化理论方面的部分研究成果，包括最优极化特征状态公式、等功率曲线、目标的共零点、多站极化雷达的最优极化模型及求解方法等；

• 第4 章主要介绍作者在目标特征提取方面的部分成果，包括相似性参数以及一套新参数，此外还介绍了在矩阵分解方面的部分成果；

• 第5 章主要介绍作者在极化SAR 图像滤波方面的成果，包括等效视数估计算法等；

• 第6 章介绍作者在最优极化对比增强方面的部分研究成果，包括传统极化对比增强问题的快速算法、广义极化对比增强模型，以及在地物分类及舰船检测等方面的应用；

• 第7 章介绍作者在目标检测方面的部分研究成果，包括溢油检测、舰船检测、机场检测、港口与桥梁检测、道路检测等检测方法；

• 第8 章主要介绍作者在紧缩极化SAR 方面的部分成果，包括特征提取及应用、散射矩阵重建算法等。

图7.30 湛江部分海岸区域港口检测结果

近几十年来，极化SAR 技术得到了飞速发展，其广泛应用也日益受到了人们的重视。同时，人们对SAR 的要求也越来越高，希望能提供同一目标区域的不同频段、不同极化、不同视角的图像；另外，由于军事上无人侦察机以及小卫星上搭载的需求，SAR 的小型化也显得非常重要。总之，高分辨率、多波段、多极化、多种观测模式、小型化是SAR将来的发展方向。

本书的相关研究先后得到了国家自然科学基金(61771043、61490693、41171317、40871157、40271077)以及“高分重大专项”等多项课题的支持，本书的出版得到了“高分重大专项”民用项目“GF-3 卫星极化数据处理与分析技术”的支持！

希望本书能够为从事极化理论研究以及极化雷达遥感研究的同行们及新入门的工程师和研究生或高年级学生们提供参考。

本文摘编自《极化雷达理论与遥感应用》（杨健，殷君君著. 北京：科学出版社，2020.3）一书“前言”“第1 章 雷达极化理论及其应用概述”。有删减，标题为编者所加。

(空间微波遥感研究与应用丛书)

ISBN 978-7-03-064520-3

责任编辑：彭胜潮 赵 晶

极化雷达理论与遥感应用是空天信息科学应用中的一个重要方向。本书从极化雷达理论的基本概念入手，深入浅出地介绍了极化雷达的基本理论和作者近年来在该领域的研究成果。

在最优极化理论中，引入了极化共零点、等功率曲线等新概念；在目标极化特征提取中，提出了相似性参数、基于极化比的目标分解方法等；在图像滤波方面，提出了等效视数估计新方法；在极化对比增强方面，提出了极化对比增强优化的数值解法，建立了广义极化对比增强模型；在目标检测方面，介绍了溢油、舰船、机场、港口、桥梁和道路等典型目标的检测方法。还介绍了作者在紧致极化SAR 图像应用研究中的相关工作。

本书叙述从具体问题到一般化应用展开，深入浅出，并给出具体的数学推导，可供从事微波遥感领域理论研究和技术开发的科技人员，以及高等院校电子信息工程、遥感测绘等专业的师生阅读使用。

 （本文编辑：刘四旦）

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