成像雷达作为军民两用高技术，在诸多领域得到深入研究和广泛应用。极化作为电磁波的重要信息维度，在雷达探测中承载了目标丰富的物理属性信息。具备极化测量能力的极化雷达成像系统已经成为雷达探测领域的主流传感器。
　　目标电磁散射响应与视角、姿态等密切相关，即目标具有散射多样性。目标的散射多样性效应通常给雷达目标的探测识别带来诸多挑战。不同于消除目标散射多样性的研究思路，作者从目标散射多样性利用的角度，提出极化旋转域解译概念，其核心思想是将极化雷达获取的初始极化信息拓展至绕雷达视线的极化旋转域，并发展出一系列解译理论工具用于目标散射多样性的表征、挖掘和利用。《成像雷达极化旋转域解译：理论与应用》重点介绍作者团队近十年来在成像雷达极化旋转域解译方面的新理论方法和应用研究成果。

目录
总序
前言
第1章 概述 1
1.1 雷达极化发展概况 1
1.2 成像雷达发展概况 2
1.2.1 典型成像雷达体制 2
1.2.2 SAR成像原理 4
1.2.3 极化SAR原理 5
1.3 雷达极化基础知识 6
1.3.1 电磁波的极化 7
1.3.2 极化散射矩阵 9
1.3.3 极化基变换 10
1.3.4 极化相干矩阵 11
1.3.5 极化协方差矩阵 12
1.3.6 极化功率矩阵 15
1.4 本书内容概要 16
参考文献 17
第2章 极化旋转域解译理论 22
2.1 引言 22
2.2 极化矩阵旋转处理 23
2.2.1 极化矩阵的旋转 23
2.2.2 级联旋转特性 24
2.3 统一的极化矩阵旋转理论 25
2.3.1 极化旋转域统一表达式 25
2.3.2 极化旋转域振荡特征 26
2.3.3 极化旋转域角特征 29
2.3.4 极化旋转域极化协方差矩阵 32
2.3.5 极化旋转域幅值类特征性能分析 34
2.3.6 极化旋转域角度类特征性能分析 37
2.4 二维极化相干方向图解译工具 39
2.4.1 二维极化相干方向图 40
2.4.2 可视化和特征表征 41
2.4.3 特征解译与讨论 44
2.4.4 极化相干方向图性能分析 46
2.5 二维极化相关方向图解译工具 59
2.5.1 二维极化相关方向图 59
2.5.2 可视化分析 63
2.6 三维极化相关方向图解译工具 67
2.6.1 极化基变换 67
2.6.2 三维极化相关方向图 69
2.6.3 典型散射结构的三维极化相关方向图 71
2.6.4 三维极化相关方向图特征提取 73
2.7 本章小结 85
参考文献 85
第3章 极化旋转域不变特征 91
3.1 引言 91
3.2 极化旋转不变特征总结 92
3.2.1 由Sinclair矩阵导出的极化旋转不变特征 92
3.2.2 由Graves矩阵导出的极化旋转不变特征 96
3.2.3 由极化相干矩阵和极化协方差矩阵导出的极化旋转不变特征 98
3.2.4 由基于特征值-特征矢量分解导出的极化旋转不变特征 104
3.2.5 由二维极化相干/相关方向图导出的极化旋转不变特征 109
3.2.6 由三维极化相关方向图导出的极化旋转不变特征 112
3.2.7 由Kennaugh矩阵导出的极化旋转不变特征 115
3.3 极化旋转不变特征性能分析 117
3.3.1 极化SAR数据介绍 118
3.3.2 目标杂波比实验 119
3.4 本章小结 122
参考文献 122
第4章 极化旋转域地物分类 126
4.1 引言 126
4.2 基于传统机器学习的极化旋转域地物分类 127
4.2.1 极化特征优选方法 127
4.2.2 极化旋转域地物分类方法 130
4.2.3 对比实验研究 131
4.3 基于深度学习的极化旋转域地物分类 147
4.3.1 极化特征驱动的深度CNN分类器 147
4.3.2 对比实验研究 148
4.4 本章小结 159
参考文献 160
第5章 极化旋转域目标检测 163
5.1 引言 163
5.2 极化旋转域舰船检测 163
5.2.1 极化SAR数据介绍 164
5.2.2 结合二维极化相关方向图的舰船检测 165
5.2.3 结合三维极化相关方向图的舰船检测 172
5.3 极化旋转域建筑物检测 190
5.3.1 结合极化相干方向图的建筑物对比增强 190
5.3.2 建筑物检测方法与实验验证 194
5.4 极化旋转域飞机目标检测 196
5.4.1 飞机目标极化相关方向图解译与特征提取 196
5.4.2 飞机目标检测方法与实验验证 198
5.5 本章小结 201
参考文献 202
第6章 极化旋转域结构辨识 204
6.1 引言 204
6.2 基于极化旋转域特征编码的目标结构辨识 204
6.2.1 目标结构辨识方法 205
6.2.2 对比实验研究 210
6.3 基于极化旋转域零极化响应方向图的目标结构辨识 215
6.3.1 零极化响应方向图解译工具 216
6.3.2 目标结构辨识方法 220
6.3.3 对比实验研究 222
6.4 本章小结 226
参考文献 227
第7章 极化旋转域损毁评估 230
7.1 引言 230
7.2 共极化相干方向图解译技术 231
7.2.1 共极化相干方向图 231
7.2.2 验证与分析 232
7.3 建筑物损毁分析 234
7.3.1 研究区域与数据介绍 234
7.3.2 损毁建筑物共极化相干方向图分析 235
7.3.3 极化倒损因子与倒损率定量反演 237
7.4 广域建筑物倒损评估 243
7.4.1 广域建筑物倒损率估计与制图 243
7.4.2 广域建筑物倒损率制图与实验验证 244
7.5 讨论与展望 247
7.6 本章小结 247
参考文献 248
彩图

第1章 概述
　　近年来，随着硬件系统、成像技术、信号与信息处理理论方法的进步，成像雷达得到了快速发展。成像雷达广泛应用于对地观测、减灾防灾、太空探测等重要领域，并发挥着越来越重要的作用。人类也广泛受益于以成像雷达技术为基础的成功应用。当前，具备成像能力的极化雷达已经成为成像雷达探测领域的主流传感器。本章简要介绍雷达极化和成像雷达的发展概况及基础知识，并概述本书的主要内容。
　　1.1 雷达极化发展概况
　　雷达（radar）这一术语*初是radio detection and ranging的简写[1]。根据传统定义，雷达是一种通过收发电磁波来对目标进行检测和定位的系统[1]。随着硬件技术和信号处理技术的快速发展和不断进步，现代雷达的定义早已不再局限于目标检测和定位，其功能得到了极大的拓展和革新。现代雷达通过获取多维高分辨图像，可以对目标进行全方位的探测和认知。
　　极化是电磁波的本质属性之一[2]，是雷达电磁波的一种偏振方式。通过对雷达发射电磁波进行调控，可以得到期望的极化状态。对极化的研究具有悠久的历史[3]，极化现象的发现可以追溯到大约公元1000年。然而，*早关于雷达极化问题的研究则始于20世纪40年代[4，5]。许多雷达极化先驱在该领域的杰出贡献促成了雷达极化这一专门研究领域的形成和发展。1950年，Sinclair引入了极化散射矩阵，用于联系发射和接收电磁波的Jones矢量，同时也用于表征相干散射体的全极化信息[4]。因此，极化散射矩阵通常也称为Sinclair矩阵。1952年，Kennaugh通过深入研究能够使雷达接收能量*大化和*小化的本征极化状态，提出了*优极化的概念[6]。与此同时，雷达极化先驱也提出了用于联系Stokes矢量的Kennaugh矩阵和Mueller矩阵表征方法[6，7]。此外，Graves提出了适用于表征和优化散射场密度的极化功率矩阵[8]。1960年，受限于极化雷达硬件系统的发展，雷达极化基础理论和应用研究经历了短暂的徘徊期。直到1970年，以Huynen的博士论文Phenomenological theory of radar targets[9]发表为标志，雷达极化领域的发展开启了一个新篇章。同时，越来越多的研究人员加入雷达极化研究队伍。然而，对雷达极化信息*特性和重要性的充分理解，仍然缺乏先进极化雷达系统和实测数据的支撑。20世纪70年代末和80年代初，雷达极化基础理论研究*主要的贡献来自Boerner。Boerner重新认识并指出极化这一维度信息在电磁散射理解与应用中的重要性。Boerner带领研究人员深入发展了Kennaugh和Huynen等的研究工作，特别是拓展了*优极化理论[5，10-17]，并通过推动雷达极化研究人员的学术交流和科研合作促成了极化雷达系统以及雷达极化理论、技术与应用的向前发展。
　　此外，我国学者关于雷达极化的研究始于20世纪60年代，主要研究了雷达极化匹配接收问题[18]。20世纪90年代前后，部分早期具有代表性的博士论文分别开展了雷达频域极化域目标识别的研究[19]、宽带极化雷达目标识别的理论与应用[20]、宽带极化信息处理的研究[21]以及雷达极化理论问题研究[22]。此外，文献[23]是国内关于雷达极化信息处理与应用的早期专著。
　　更详细的关于雷达极化领域的发展历程介绍，可以参考文献[5]、[24]和[25]。伴随着雷达极化先驱的卓越贡献，雷达极化的基础理论基本成型，并在文献中进行了综述[5，26，27]。当前，随着具有全极化测量能力的先进成像雷达系统的不断涌现和具有不同模式的实测极化雷达数据的大量获取，极化雷达成像、目标机理解译等基础理论和关键技术得到了快速发展，并在诸多关键领域得到了成功应用。
　　1.2 成像雷达发展概况
　　1.2.1 典型成像雷达体制
　　合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）是典型的成像雷达，其概念*初由美国Goodyear航空航天公司的Wiley提出[28]。Wiley发现利用波束照射获取的垂直向多普勒信息可以用来提升方位向分辨率。这样，通过距离向的脉压处理和方位向的合成孔径处理，就可以得到成像区域聚焦的二维雷达图像。SAR作为微波传感器可以全天时和几乎全天候工作，在遥感领域展现出*特的优越性。1978年，**颗星载合成孔径雷达SEASAT发射成功，标志着SAR逐步成为实用化的遥感系统[3]。
　　随着雷达极化理论的不断发展和SAR成像技术的不断进步，结合二者优势的极化SAR应运而生。同时，这种结合为雷达极化和微波遥感开启了一个全新的发展领域。1985年，美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）成功研制出**部实用化的具有全极化测量能力的机载合成孔径雷达（airborne synthetic aperture radar，AIRSAR）系统[3]。该系统具有在P、L和C三个波段同时获取全极化数据的*特性能。AIRSAR系统获取的大量高质量成像数据直接推动了国际雷达界对极化SAR的研究，并催生了一大批极化SAR数据处理、分析和解译技术。此后，国内外不断涌现出大量新型极化SAR系统。其中，具有代表性的极化SAR系统是德国宇航研究中心研制的机载实验合成孔径雷达（experime