雷达极化技术

常常听到有人说，“电磁波极化很难理解，不好掌握”。其实不然，对单色波而言，极化是随电磁（电场或磁场）振荡有周期变化规律的矢量。故单色波的极化就两层含义，是矢量，有周期律。这似乎还是有点儿玄乎，让人摸不着头脑。
对极化进行参数化表征，可让极化这一神秘的周期律矢量现形为标量参数，看得见摸得着了。关于参数化，读者自然会想到这样一些问题，比如“极化性质的物理基础是什么？”“怎样进行参数化？”“参数如何反映极化的性质？”。回答诸如此类的问题就构成了第2章的核心内容，特别还出现了“极化对称性”这样的新鲜说法，浅显易懂，更便于宏观把握关键知识点。无论是从参数化后各参数组的值域还是从参数组合的几何绘图，都会让读者强烈地感受到极化对称性的数学美感，感觉很容易理解并记得牢。极化对称性是因为有极化椭圆的左旋和右旋这一对互逆的旋向； 而旋向的物理源头则是两个正交分量之间的相位差，互反取值就决定了极化的互反旋向。
单色电磁波是理想化的，非单色波才是常态，常见发射信号均如此。信号振荡源做不到稳定，它所产生信号的幅度和相位相较于振荡频率都有一个慢速变化，加上信号传输链路的非线性作用，以及实际系统带宽限制等，这些因素及综合影响使天线辐射出去的电磁波有了一个频率范围。因此第3章试图从物理上阐释取平均频率的合理性，这样非单色波就可以借鉴单色波的数学表征模样。因为非单色波的幅度和相位皆是时变的，故合成电场矢量的时变特性存在有规律、有一定规律或者无规律这三种情况。幸亏有相干矩阵这一数学工具，让我们可以研究非单色波正交分量的相关度，以及定义非单色波的极化度。极化度可以衡量非单色波极化的宏观特性，它为1时是完全极化波，为0时是未极化波，在0和1之间就是所谓的部分极化波了。部分极化波可分解成完全极化波和未极化波之和，反之亦然； 如果将“完全极化”和“未极化”引申为正交的概念，那么第3章的特色之一，便是出现了不少的正交情形，可谓是正交分解的思想在电子系统分析中无处不在。另外，将非单色波的窄带压缩成单频点时，就可以得到非单色波蜕变为单色波的全极化结果。关于非单色波的接收，第3章对极化匹配条件、极化失配条件各自在不同坐标系下的等价性进行了详细的证明，而且对极化匹配和极化失配这两者本身也作了物理上的直观解释，给出了相应的数学结论，本书也许是这些理论研究工作的早出处，藉此希望能够引起读者对极化内涵的更加深入的思考。
极化的描述与表征是研究电磁波极化与目标作用的基础性工程。如果极化作为照射目标的输入并且目标固有极化特性已知，就可以得到目标对照射极化的散射输出，目标回波的极化特性就可确定。G.Sinclair提出了目标极化散射矩阵概念，用以描述与表征目标固有极化特性，反映目标对照射极化的调制效应，决定着目标回波极化特性。以极化散射矩阵为基础，研究目标极化散射特性有两大类思路： 一是研究极化散射矩阵（是照射波给定频率和目标姿态的函数）各种特征量以获得目标内质极化特征信息； 二是探究目标回波极化特性以提取目标极化特征信息（时域、频域、极化域、空域及其联合域，可根据不同雷达体制和实验情形来选择恰当的论域），尤其是宽带与极化结合的新体制雷达可以获取目标的精细极化特征。围绕目标极化散射，第4章进行了详细阐述。
雷达增加了极化这一维测量能力，极大丰富了目标特征信息的内容，而目标极化散射矩阵以其卓越的基础性成为雷达极化技术发展过程中有影响力的学术成果之一。自此以后，在目标极化信息的开发与利用等方面，国内外的雷达科技工作者进行了长期不懈的努力，投入了持续的研究热情，取得了丰硕的研究成果，有效提升了雷达探测与抗干扰性能，并已在气象雷达、遥感成像等民用领域和诸多军用领域获得了成功应用。第5~8章，围绕目标极化信息获取与处理，简要介绍了作者们的一些研究心得。
我博士毕业后，于20世纪90年代末在学院新开设了“雷达极化信息处理及应用”这门研究生课程，二十多年中经历了多轮次的研究生培养方案修订和课程调整，至今它依然是很受欢迎的研究生课程之一，徐振海、代大海、陈思伟、李永祯、施龙飞等教授，以及庞晨副教授等都是该课程的教学团队成员。
无比感激我的导师郭桂蓉院士、庄钊文教授，是两位恩师睿智地把我带入了雷达极化领域，使我到了即将退休的年龄还在吃着这碗饭，可见他们是多么的富有远见，能让学生一辈子被它深深地吸引并为之奋斗了三十多年依然觉得它是如此的崭新，足见该领域的发展空间和应用潜力是多么的巨大。
关于极化研究的学术成果很多，本书的内容选择有限，主要根据肖顺平教授“雷达极化信息处理及其应用”研究生课程的讲义，并挑选了作者部分的学习和研究心得。本书共8章，依次是： 绪论、电磁波的极化、极化信号接收、目标极化散射、目标极化测量、目标极化校准、极化滤波技术以及极化目标分解。
本书由肖顺平教授牵头、规划和统稿，第1~4章由肖顺平教授编写，第5章和第7章由徐振海教授编写，第6章由代大海教授编写，第8章由陈思伟教授编写。在本书的编写过程中得到了戴幻尧研究员、杨勇副教授和曾晖、杨功清、陈吉源等博士生的热情帮助，谨向他们表达崇高的敬意和谢意。
由于作者水平有限，书中疏漏与不足在所难免，恳请读者不吝批评指正。

国防科大CEMEE国家重点实验室

2022年8月1日于长沙

雷达目标极化信息是目标时域、频域、空域信息之外可资利用的又一重要信息，在目标检测、抗干扰、目标识别方面具有重要的应用潜力。本书全面、系统地归纳总结雷达极化基础理论和关键技术，是作者团队多年来科研和教学实践的成果总结。 全书共分8章。第1章 简要归纳雷达极化学发展历程和主要内容，以及在雷达装备中的应用。第2章主要论述电磁波的极化及其表征。第3章主要论述天线的极化以及极化信号的接收。第4章主要论述雷达目标变极化效应及其表征。第5章主要论述目标极化测量技术。第6章主要论述目标极化校准技术。第7章主要论述目标极化滤波技术，包括**极化滤波理论和工程实现算法。第8章主要论述极化目标分解理论及其应用。 本书内容深入浅出，通俗易懂、体系性强。可作为高等院校电子工程专业研究生的教材，也可供雷达极化技术领域的科研人员和工程技术人员参考借鉴。

雷达目标极化信息是目标时域、频域、空域信息之外可资利用的又一重要信息，在目标检测、抗干扰、目标识别方面具有重要的应用潜力。本书全面、系统地归纳总结雷达极化基础理论和关键技术，是作者团队多年来科研和教学实践的成果总结。 全书共分8章。第1章 简要归纳雷达极化学发展历程和主要内容，以及在雷达装备中的应用。第2章主要论述电磁波的极化及其表征。第3章主要论述天线的极化以及极化信号的接收。第4章主要论述雷达目标变极化效应及其表征。第5章主要论述目标极化测量技术。第6章主要论述目标极化校准技术。第7章主要论述目标极化滤波技术，包括**极化滤波理论和工程实现算法。第8章主要论述极化目标分解理论及其应用。 本书内容深入浅出，通俗易懂、体系性强。可作为高等院校电子工程专业研究生的教材，也可供雷达极化技术领域的科研人员和工程技术人员参考借鉴。

肖顺平，博士，国防科技大学教授、博士生导师。曾任学院副总工程师、综合电子信息系统研究所所长、CEMEE国家重点实验室首任主任、国家863专家组专家，现为湖南先进技术研究院总工程师、XX仿真技术专业组专家、XX人工智能装备应用专业组专家。长期从事雷达信号处理与目标识别、电子对抗等领域的教学与科研工作。主持和承担国家自然科学基金（面上、重点、重大）、军口973、军口863、试验装备、型号装备等项目50余项，在雷达极化信息处理、雷达电子战系统仿真等方向取得一系列创新成果。获国家科技进步二等奖2项，军队科技进步一等奖6项、二等奖5项，湖南省技术发明一等奖1项，军队级教学成果一等奖1项，湖南省首届优秀研究生导师奖，军队育才银奖，享受政府特殊津贴。发表学术论文百余篇，合作出版学术专著、教材10多部。

徐振海，国防科技大学研究员、博士生导师。长期从事阵列雷达设计与处理方面的教学与科研工作，承担“雷达原理与系统”“雷达极化信息处理”等课程教学。发表学术论文50余篇。主持和参与科研项目10余项。获军队科技进步一等奖1项、二等奖3项，军队教学成果一等奖1项。出版专著3部、教材1部。

代大海，国防科技大学教授、硕士生导师。湖南省杰出青年基金获得者。长期从事新体制雷达信号处理与电子对抗领域的教学与科研工作，承担“统计信号处理”“随机信号处理”等课程教学。主持和参与科研项目10余项。出版专著5部，发表论文100余篇。获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项。

陈思伟，国防科技大学教授、硕士生导师。国家自然科学基金优秀青年科学基金、湖南省杰出青年基金获得者，入选军队高层次科技创新人才工程和“湖湘青年英才”计划。长期从事极化雷达成像与识别、电子对抗和机器学习等领域的教学与科研工作，承担“雷达极化信息处理”“模式识别与机器学习”等课程教学。主持完成项目10项。发表论文100余篇，作者出版Springer英文专著1部。获国家科技进步二等奖、湖南省自然科学一等奖、军队科技进步一等奖、军队教学成果一等奖和IEEE地球科学与遥感学会青年成就奖。

第1章绪论

1.1雷达极化研究的历史性
成果

1.2雷达极化信息的获取与
处理

1.2.1目标极化测量

1.2.2目标极化校准

1.2.3目标极化检测

1.2.4极化滤波技术

1.2.5目标极化鉴别

1.2.6目标极化识别

1.3极化技术在雷达装备
中的应用

1.3.1在气象领域的
应用

1.3.2在遥感领域的
应用

1.3.3在反导领域的
应用

1.4本书概貌

第2章电磁波的极化

2.1平面电磁波的矢量相量

2.1.1均匀平面电磁波

2.1.2单色平面电磁波

2.1.3单色波的数学
表达

2.1.4单色波的矢量
相量

2.2电磁波场矢量的时变特性

2.2.1极化含义

2.2.2极化椭圆

2.2.3椭圆极化

2.2.4特殊极化

2.2.5极化实现

2.3极化的参数化表征及其
对称性

2.3.1极化的椭圆参数
表征与极化平面

2.3.2极化的线极化比
表征与极化平面

2.3.3极化的圆极化比表征
与复极化平面

2.3.4极化的Stokes参数
表征与极化球

2.4极化表征参数间的互推
关系

2.4.1线极化比、圆极化
比及修正线极化比
的关系

2.4.2极化椭圆几何参数
的圆极化比表征

2.4.3极化椭圆几何参数的
Stokes参数表征

2.4.4极化椭圆几何参数的
线极化比表征

2.4.5线极化比参数的极化
椭圆几何参数
表征

2.4.6线极化比的极化椭圆
几何参数表征

第3章极化信号接收

3.1极化匹配接收

3.1.1接收电压方程

3.1.2接收功率

3.2极化失配接收

3.3极化匹配系数

3.3.1极化匹配系数的
定义

3.3.2极化匹配系数的
坐标系

3.3.3相向右手系中的
极化匹配系数

3.4极化匹配条件的物理解释

3.4.1极化匹配条件的
坐标系因素

3.4.2同一坐标系中的
“物理事实”

3.4.3相向右手系中的
“物理事实”

3.4.4极化匹配条件的
物理内涵

3.5极化失配条件的物理解释

3.5.1极化失配条件的
坐标系因素

3.5.2同一坐标系中的
“物理事实”

3.5.3相向右手系中的
“物理事实”

3.5.4极化失配条件的
物理内涵

3.5.5应用举例： 线极化与
圆极化的互为收发

3.5.6伪本征极化、天线互
为收发、正交极化基
等问题综合比较

3.6非单色波的极化与接收

3.6.1非单色波的表征

3.6.2非单色波的相干
矩阵

3.6.3非单色波的极
化度

3.6.4相干矩阵的Stokes
参数表征与分解

3.6.5极化度的Stokes
参数表征

3.6.6非单色极化波的
线极化比

3.6.7部分极化波的
接收

3.7天线的空域极化特性

第4章目标极化散射

4.1目标变极化效应及表征

4.1.1目标变极化效应

4.1.2线极化基下的后向
散射矩阵

4.1.3目标互易性

4.1.4圆极化基下的后向
散射矩阵

4.2目标互易性的修正方法

4.2.1极化散射矩阵的
误差矩阵小范
数修正法

4.2.2小变质极化散射
矩阵的幅相平均
修正法

4.3散射矩阵变换与目标极化
不变量

4.3.1变基散射矩阵变换
与极化不变量

4.3.2目标极化不变量

4.4目标照射极化

4.4.1目标全局
优极化

4.4.2极化域采样与目标局部
极化

4.5极化目标RCS区间性

4.5.1RCS与极化的
关系

4.5.2RCS的线极化
比表征

4.5.3RCS的线极化
比参量表征

4.5.4雷达目标的匹配
截面积

4.5.5全极化测量下目标
RCS的区间性

4.6目标极化散射特性及应用
简例

4.6.1目标内质极性特征
及其应用

4.6.2目标回波极化特性
及其应用

4.6.3目标高分辨极化特性
与识别

第5章目标极化测量

5.1极化测量体制

5.1.1时分极化测量
体制

5.1.2频分极化测量
体制

5.1.3波分极化测量
体制

5.2极化雷达模糊函数

5.2.1模糊函数定义

5.2.2正、负线性调频
信号模糊函数

5.2.3测不准线

5.3波分极化测量体制
信号处理

5.3.1接收信号模型

5.3.2信号处理流程

5.3.3匹配滤波

5.3.4参数测量

5.3.5仿真分析

第6章目标极化校准

6.1极化测量误差模型与
校准流程

6.1.1极化测量误差
模型

6.1.2极化校准技术
分类

6.2基于无源校准器的极化
校准技术

6.2.1三目标校准算法

6.2.2高极化隔离校准
算法

6.2.3单目标校准算法

6.2.4单二面角校准
算法

6.3有源极化校准技术

第7章极化滤波技术

7.1极化滤波器阵列法
求解

7.1.1接收信号模型

7.1.2接收极化

7.1.3滤波性能

7.1.4极化滤波性能
分析

7.2极化滤波器Stokes
矢量法求解

7.2.1SINR优化模型

7.2.2接收极化

7.2.3滤波性能分析

7.3自适应极化对消算法

7.3.1极化对消器

7.3.2自适应对消算法

7.3.3仿真分析

7.4自适应正交极化滤波算法

7.4.1干扰极化估计

7.4.2接收天线极化
优化

7.4.3自适应正交极化
滤波算法

7.4.4仿真算例

7.4.5性能分析

第8章极化目标分解

8.1相干极化目标分解

8.1.1Pauli分解

8.1.2Krogager分解

8.1.3Cameron分解

8.2基于特征值分解的非相干
极化目标分解

8.3基于模型的非相干极化
目标分解

8.3.1典型极化散射
模型

8.3.2基于模型的极化目标
分解基本原理

8.3.3极化方位角和去取向
理论

8.3.4FreemanDurden
分解

8.3.5Yamaguchi分解

8.3.6广义极化目标
分解

8.4结合极化目标分解的建筑物
损毁评估

8.4.1震灾前后散射机理
分析

8.4.2数据描述

8.4.3广义极化目标分解
结果

8.4.4损毁定量评估

参考文献

雷达目标极化信息是目标时域、频域、空域信息之外可资利用的又一重要信息，在目标检测、抗干扰、目标识别方面具有重要的应用潜力。本书全面、系统地归纳总结雷达极化基础理论和关键技术，是作者团队多年来科研和教学实践的成果总结。 全书共分8章。第1章 简要归纳雷达极化学发展历程和主要内容，以及在雷达装备中的应用。第2章主要论述电磁波的极化及其表征。第3章主要论述天线的极化以及极化信号的接收。第4章主要论述雷达目标变极化效应及其表征。第5章主要论述目标极化测量技术。第6章主要论述目标极化校准技术。第7章主要论述目标极化滤波技术，包括**极化滤波理论和工程实现算法。第8章主要论述极化目标分解理论及其应用。 本书内容深入浅出，通俗易懂、体系性强。可作为高等院校电子工程专业研究生的教材，也可供雷达极化技术领域的科研人员和工程技术人员参考借鉴。

肖顺平，博士，国防科技大学教授、博士生导师。曾任学院副总工程师、综合电子信息系统研究所所长、CEMEE国家重点实验室首任主任、国家863专家组专家，现为湖南先进技术研究院总工程师、XX仿真技术专业组专家、XX人工智能装备应用专业组专家。长期从事雷达信号处理与目标识别、电子对抗等领域的教学与科研工作。主持和承担国家自然科学基金（面上、重点、重大）、军口973、军口863、试验装备、型号装备等项目50余项，在雷达极化信息处理、雷达电子战系统仿真等方向取得一系列创新成果。获国家科技进步二等奖2项，军队科技进步一等奖6项、二等奖5项，湖南省技术发明一等奖1项，军队级教学成果一等奖1项，湖南省首届优秀研究生导师奖，军队育才银奖，享受政府特殊津贴。发表学术论文百余篇，合作出版学术专著、教材10多部。

徐振海，国防科技大学研究员、博士生导师。长期从事阵列雷达设计与处理方面的教学与科研工作，承担“雷达原理与系统”“雷达极化信息处理”等课程教学。发表学术论文50余篇。主持和参与科研项目10余项。获军队科技进步一等奖1项、二等奖3项，军队教学成果一等奖1项。出版专著3部、教材1部。

代大海，国防科技大学教授、硕士生导师。湖南省杰出青年基金获得者。长期从事新体制雷达信号处理与电子对抗领域的教学与科研工作，承担“统计信号处理”“随机信号处理”等课程教学。主持和参与科研项目10余项。出版专著5部，发表论文100余篇。获国家科技进步二等奖1项，省部