极化雷达

第1章绪论
1.1极化合成孔径雷达(PolSAR)及其发展
电磁波的传播和散射都是矢量现象，而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。

极化合成孔径雷达在不同收发极化组合下，测量地物目标的极化散射特性，并用极化散射矩阵的形式表示。

由于电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感，因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。

尽管极化的概念已经有很长的历史，但是到了二十世纪五十年代人们才开始对极化在雷达中的应用产生兴趣进行研究，并取得了一定进展。

1950年，G.W.Sinclair在对椭圆极化波发射与接收的研究中，引入散射矩阵的概念来描述相干散射体的雷达横截面积。

先导性的工作是由E.M.Kennaugh于20世纪50年代初在俄亥俄州立大学的天线实验室完成的。

他对雷达回波极化特性进行了初步研究，并给出最优极化状态的概念。

在Kennaugh之后，由于极化理论方面的发展还不完善，对雷达极化的研究工作虽然仍在继续，可是研究成果极为有限。

直到1970年Huynen博士论文的发表，才又开始了新一轮极化理论和试验研究的热潮，并取得了大量成果。

J.R.Huynen在其博士论文中利用Kennaugh最优极化状态的概念，推导了雷达目标现象学的理论，提出随机媒质散射分解的概念，将雷达极化的理论研究带到一个新的高度。

1981年，Poleman提出极化合成的概念，在极化的实际应用方面做出了重要的贡献。

W.M.Boerner进一步完成了对地物目标散射电磁波极化特性的研究，扩展了Kennaugh的最优极化理论，并把极化分析应用到了目标识别中。

然而由于当时雷达设备技术方面的局限性，人们并没有充分意识到极化在雷达应用中的重要作用。

二十世纪八十年代初，NASA/JPL实验室的机载AIRSAR系统在飞行中采用两个正交的线性极化天线发射、接收信号，首先实现了对目标的全极化测量，开创了雷达极化研究的一个新时代。

在过去的二十多年间，人们研发了许多极化合成孔径雷达系统。

目前，除了NASA/JPL的AIRSAR全极化系统(工作在L、C和P波段)外，还有几个机构开发的机载极化系统能够提供不同频率的全极化SAR数据，他们包括:丹麦遥感中心开发的EMI-SAR系统，工作在C和L波段；德国空间中心(DLR)的E-SAR系统，工作在L和P波段；密歇根环境研究所(ERIM)开发的NAWC/ERIMSAR系统，工作在X、C和L波段:还有NAVY/ERIMP-3SAR系统，安装
在美国海军Orion P-3飞机上，由美国海空发展中心(NADC)操作;加拿大CV-580飞机上装载的CCRS/MDASAR、日本的Pl-SAR、以及法国的CNESSAR。

而航天飞机载和星载极化SAR系统主要有:美国与德国、意大利合作的SIR-C/X-SAR系统，该系统在1994年进行了两次成功的飞行试验，获得大量L和C波段的全极化合成孔径雷达原始数据；SRTM系统2000年2月进行了为期n天的观测，获得了覆盖地球表面80%陆地范围的L、C和X波段数据；此外还有于2002年3月发射的欧洲航天局的ENVISATASAR系统，以及即将发射升空的美国的EOS SAR系统、加拿大的RADARSAR-II系统，都工作在多极化模式。

这些系统获取了大量极化数据，为人们对极化的研究提供了丰富的素材。

在此基础上，各国学者在极化SAR数据的分析和应用方面开展了许多研究工作。

在散射矩阵分解、目标极化特性分析、目标分类、地表参数反演、极化图象滤波等方面，获得许多研究成果。

目前，雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术，在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计，热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

1.2干涉合成孔径雷达(InSAR)及其发展
干涉合成孔径雷达利用SAR系统从空间分离的两个位置对同一地区成像，估计两幅复图象中对应象素之间的千涉相位差来提取散射体的高度信息。

该系统突破了传统合成孔径雷达仅能得到地形二维测绘图象的局限性，能够全天时、全天候的获取大面积高精度三维地形数据近年来逐渐发展成为SAR领域中的一个研究热点。

干涉合成孔径雷达的最初报道可以追溯到Rogers和工Ingalls在1969年对金星表面观测的研究。

此后，L.C.Graham在1974年利用Goodyear航空公司(LORAL/HUGHES)SAR机载双天线X波段系统得到的数据，进行光学处理，得到了第一幅地形等高线图，首次向人们演示了SAR干涉在地形高程成像方面的能力圈。

然而，由于当时技术条件的限制，这一研究成果并未引起太多反响。

直到20世纪80年代，JPL的R.M.Goldstein和H.A.Zebker在理论和实践上对干涉SAR技术进行了完善和发展，将AIRSAR系统改装成双天线单航迹干涉系统,成功实现了干涉测量，并用数字信号处理技术对获得的数据进行干涉处理，得到了第一个实际的观测结果，高程测量精度优于10m。

1988年，A.Gabriel和Goldstein 利用SEASAT(1978年发射的第一个星载合成孔径雷达系统)以及SIR-B(装载于奋
进号航天飞机上)的L波段数据，尝试了对星载SAR系统重复航迹干涉模式获取的数据进行干涉处理，证明了在一定条件之下实现重复航迹干涉的可行性。

Goldstein、Zebker和C.Werner在1988年也提出了相位展开的问题，并给出一种相位展开算法，从而首次可以在一个常数范围内确定绝对干涉相位叫。

C.Prati 和F.Rocca在1990年进行了进一步的理论研究，考虑干涉应用中SAR图象处理时的相位保持问题。

A.L.Gray和P.J.Farris-Manning在1992年，利用加拿大CCRSC/X-SAR系统在X和C波段获得的数据，首先成功实现了机载SAR系统重复航迹干涉。

但此时的SAR干涉技术还处于初步发展阶段，没有被人们广泛熟知。

随着欧空局(ESA)的ERS-1在1991年发射升空，星载干涉SAR的研究得到了迅速发展。

ERS-1工作在C波段，装备有一个激光跟踪系统，可以进行精确的轨道确定，从而得到高质量的干涉数据。

基于这些数据，Li、Goldstain、Zebker和Rodriguez等人，在干涉SAR系统工作原理、数据处理、测量精度、重要参数分析、各种去相关因素的影响、潜在应用以及千涉实现的限制和能力等方面进行了深入研究和讨论，使得干涉SAR研究在理论和实践上都有了很大发展，对干涉合成孔径雷达的研究也随之进入了一个全新的局面。

1995年欧空局再次发射了ERS-2卫星，与ERS-1一起组成TANDEM任务，实现了在一天的时间间隔内对同一地区重复观测，为星载SAR干涉创造了更多的机会，使干涉SAR研究得到空前发展。

在欧洲卫星遥感发展的同时，日本的JERS卫星(L波段)、加拿大的RADARSAT 卫星(C波段)，也提供了大量高分辨率干涉SAR数据。

1994年4月和10月，SIR-C/X-SAR系统分别进行了两次为期10天全球地形测绘的飞行实验。

这次实验首次为研究者提供了多频极化(L、C波段全极化，X波段单极化)的干涉数据，为以后极化干涉技术的发展提供了机会。

2000年2月成功实现的SRTM全球地形测绘计划是干涉SAR研究应用领域中又一个重要里程碑。

这是第一部星载双天线干涉SAR系统，航天飞机携带了两组SIR-C/X-SAR雷达，分别位于60m长伸缩臂的两端。

该系统共飞行n天，观测了位于北纬60度南纬56度之间、覆盖地表面80%的陆地，对部分地区还进行重复观测。

其空间分辨率为30m，相对高程精度为10m左右。

此次飞行实验获得了多波段、多极化的双天线单航迹的干涉数据，也为研究极化在干涉中的作用提供了非常丰富的实验数据。

在星载SAR干涉发展的同时，世界上许多国家都投入力量对机载干涉SAR进行了研究。

加拿大的CCRS在1990年利用安装在Convair580的C/X-SAR进行了重复轨道的干涉验证试验，此系统工作在X和C波段；1991年，NASA/JPL将AIRSAR 系统改装成TOPSAR干涉雷达，是第一个机载双天线干涉系统，工作在L和C波段，其最终的空间分辨率为10米，高程精度达到2-3米；德国Dornier公司研
制的DO-SARALTAS-X干涉SAR系统采用X波段、机载双天线模式，用于高精度地形图的绘制，其空间分辨率为0.8米，绝对高程精度为2-5米；2000年，德国C.wimmer等人利用X波段高分辨率的AeS-1机载双天线SAR对德国北部的Wadden 地区进行地形测绘，生成的地形数字高程模型的水平分辨率为2.5米，高程精度为5厘米，实现了超高精度的DEM测量；此外，目前还有IFSARE(X波段,ERIM,USA)，EMI-SAR(C波段，丹麦遥感中心)，E-SAR(X波段，DLR，德国),RAMSES(X 波段，ONERA，法国)，AER-II(X波段，FGAN，德国)，ESR(X波段OERA，UK),等机载SAR干涉系统。

随着InSAR技术的发展成熟，其应用范围也不断扩大。

从最初的地形高程测量逐渐发展到遥感应用领域的诸多方面。

如利用差分干涉对微小地表形变敏感的特点，对火山喷发、地震演变、陆地下沉等现象进行观测；在极地研究中，监测冰块形变和冰川动态变化、测量冰川漂移速度；通过分析目标的相关性对地物进行分类；建立相关散射模型，利用干涉观测量提取与自然散射机理有关的物理参数，等等。

1.3合成孔径雷达极化干涉技术(Pol-InSAR)及其发展
前面一节介绍的合成孔径雷达干涉测量是一种极有发展潜力的技术，但仍然有一些因素限制了它的发展。

首先，利用InSAR估计高度包含一定的不确定性。

对于光滑表面，常规InSAR的高度测量结果与实际地形高度相差不多。

然而，在体散射占主导的区域(如植被覆盖区)，分辨单元内往往存在多种散射机理，各种散射机理的相位中心可能位于不同高度。

这时，两幅干涉图象之间的相位差就不能反映任何一个散射中心的实际高度，而是反映所有散射体的一个平均高度。

这样由于体散射的影响，常规InSAR系统对地形的高度估计一般会包含一个植被层的偏置，测高结果会产生几米甚至十几米的较大偏差。

此外，在合成孔径雷达干涉高程反演过程中，相位展开是其中非常重要的一步。

相位展开成功与否依赖于干涉噪声的大小，而噪声的大小在干涉相关系数Y上体现出来。

获得较高的干涉相关系数、减小干涉噪声的一个方法就是对干涉图进行多视处理。

然而这会导致空间分辨率的严重损失。

因此需要寻求一个既能增大相关系数从而提高测高精度，同时又能保证空间分辨率的方法。

常规的InSAR中，两幅图象是在相同的极化组合下获得的(如同是HH或同是VV)。

而实验证明，收发电磁波不同的极化状态对干涉图相关系数有很强影响。

如果能够找到使干涉相关系数达最大的最佳收发极化状态的组合，就可以提高相关系数，从而减小相位展开中噪声的影响。

除了测量地形高程之外，SAR干涉的另一个重要应用就是提取与自然散射机理有关的物
理参数。

干涉相位和相关系数对植被的高度和密度都比较敏感，因此可以用于估计植被参数。

但是在参数反演求逆过程中干涉测量量的不足限制了对干涉观测量和散射过程特性参数之间关系的估计。

最后还有对干涉图的正确理解问题。

要正确理解干涉数据，需要估计散射的过程和有效散射相位中心的位置，这依赖于系统参数(如波长和极化状态)以及散射体的几何和物理参数。

例如波长较长的信号(如L波段、P波段)有很强的穿透能力，因此雷达收到的回波信号就可能是位于不同高度的不同散射体后向散射回波信号相互叠加的结果。

要正确解释干涉图的物理意义，就需要能够正确理解不同的地物是如何与不同频率的矢量电磁波相互作用的，以及这种相互作用是如何影响雷达的后向散射回波的。

对于SAR干涉中的这些问题，将极化技术引入干涉应用是一种可行有效的解决办法。

电磁波的极化状态对散射体的形状、取向和介电特性非常敏感，研究目标的极化变换行为，可以获得目标的材料特性(如材料属性及其粗糙度等)以及目标的几何图形信息(如目标取向和对称性等)，而这些信息是极化测量所特有的。

极化信息的开发和利用可以丰富目标的特征参数，利用目标散射对极化敏感的特性，可以进行地物分类和地物参数的估计。

此外，利用极化SAR系统测量的目标极化散射矩阵数据，可以将随机媒质的散射过程分解成几个不同的散射机理。

根据目标的极化散射分解，通过对极化信息的统计分析，或者是对散射模型的分析，有助于理解目标散射机理和目标的散射过程。

而且收发电磁波不同的极化状态对干涉图的相关系数也有很大影响，可以通过改变收发极化一的状态来找到最大干涉相关系数，从而减小相位展开中噪声的影响。

可见，如果将SAR极化技术引入干涉应用，可以同时把目标的精细结构特征(极化较为敏感)与空间分布特性(干涉较为敏感)结合起来，并提取它们之间的相互关系，从而大大提高SAR干涉测量的性能。

极化SAR干涉技术利用全极化SAR 系统进行干涉测量，对极化散射矩阵进行干涉分析，结合了干涉测量和极化测量的特点。

不但能够提高干涉测量的精度，而且能够更好的解释目标的极化散射机理，解决常规SAR干涉中无法解决的一些问题。

1994年，美国NASAJPL实验室的SIR-C/X-SAR星载L/C波段RP-POL-D-InSAR (重复航迹-极化-差分-干涉SAR)系统分别在4月和10月进行了两次飞行实验。

在这两次任务中，该系统获得了对许多地区的两次或多次飞行数据，并且这些数据都是全极化的。

这些全极化的相干数据为人们研究电磁波的极化在合成孔径雷达干涉中的作用提供了极为宝贵的素材。

极化SAR干涉技术具有常规SAR无法比拟的特点，有着广阔的发展前景。

自97年以来，极化SAR干涉技术逐渐成为合成孔径雷达信息处理领域研究的新热
点。

1997年德国DLR的E-SAR机载L/P波段重复航迹全极化系统、1998年NASA/JPLTOPSAR和AIRSAR机载C波段单航迹极化干涉系统分别都得到了几组全相干的极化数据。

最近，日本的PISAR机载X/L波段全极化、X波段垂直航迹双天线单航迹干涉系统也收集到了相应的数据。

2000年2月的SRTM计划是94年SIR-C/X-SAR任务的延续，首次在航天飞机上实现了L、C波段双天线单航迹的全极化干涉。

这次任务还对部分地区进行了重复航迹的观测，获取了全球80%陆地覆盖的高精度全极化干涉数据。

这些系统获得大量全极化的干涉数据，大大的推动了极化SAR干涉技术的研究。

从目前的发展状况看，极化SAR干涉技术主要被用于分析有多层形态(树冠-枝杈-树干-地面)特征的植被覆盖区域的竖直结构。

植被具有不同形态特征的各个部分会显示出不同的散射特性，如果这些部分分别位于植被中的不同高度，则它们的有效相位中心也位于不同的高度。

由于极化信息可以辨别出不同的散射行为，因此可以利用不同极化状态来形成对应于某个特定散射机理的干涉图。

这样，这些干涉图之间的相位差就直接与场景中植被覆盖的高度联系起来，从而得到植被高度分布图。

利用极化SAR干涉技术还可以提高测高精度。

在常规InSAR中，基线的选择会在很大程度上影响测高精度。

基线较短时，两幅图象间的相关性大，但干涉条纹稀疏，有关地形高度的信息也较少;基线较长时，干涉条纹密集，对地形高度变化的反映也多一些，但图象间的相关性变得很差。

利用极化SAR干涉技术，可以大大提高干涉相关系数，从而提高测高精度。

极化SAR干涉技术的另一个应用是进行地物分类。

干涉对不同的去相关源比较敏感，而极化对目标的形状、取向和介电特性以及不同的散射过程敏感。

这样将两种技术有效结合的极化干涉处理就可以对地物进行更细致精确的分类。

随着极化干涉技术的迅速发展，相信它必将在越来越多的领域得到更为广泛的应用。