相较于常规星载SAR，星载低波段极化SAR一方面具有较强穿透能力，能够探测植被和千层地表下的隐藏目标，另一方面，该系统对生物量更为敏感，能够观测森林资源的消长，对研究全球碳循环与气候变化的相互作用具有重要意义。

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一、研究背景及意义

合成孔径雷达(Synthesis Aperture Radar,SAR)是一种主动式相干成像系统，利用雷达与观测目标之间的相对运动并通过数字信号处理方将小尺寸天线合成等效为大尺寸天线，从而获得高分辨率。此外，由于SAR是主动成像系统，工作于微波波段，相较于传统光学、红外雷达等被动式成像系统，具有不受天气、气候、环境等影响的优势，在海洋、林业、地质、农业、环境与灾害监测、军事领域具有较大的应用前景。

极化SAR是指在较短时间内，以水平方式(Horizontal,H)或垂直(Vertical,V)极化方式发射脉冲波，在接收端以H或V的方式接收脉冲波的系统。与常规SAR相比，极化SAR可以获取目标丰富的极化信息，能够更完整反映目标散射特征。在实际应用中，星载低波段极化SAR将受到电离层法拉第旋转效应(Faraday Rotation,FA)影响。FR效应是在电离层和地磁场共同作用下产生的，直接影响是导致地物分类失败。

FR效应的剧烈程度可由法拉第旋转角(Faraday Rotation Angle,FRA)表征: 法拉第旋转角FRA = K_omega * B * cos(theta) * TEC / (f^2）
其中K_omega为常数,B为地球磁场强度，TEC表示信号传播路径上的电离层电子量，theta表示地球磁场方向与雷达电磁波传播方向(天线波束指向)夹角。

由上述公式可以得到：法拉第旋转角与信号频率平方成反比，随着系统工作波段下降，FR效应将愈加严重。例如：当系统工作在C波段，FRA最大值仅为2.5度，当系统工作在L波段，FRA最大值达到40度，当系统工作在P波段，FRA最大值达到321度。这表明随着频率的 下降，系统穿透性增强，但这是以法拉第旋转效应影响加剧为代价，因而必须对FR效应进行影响分析和校正。

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二、星载低波段极化SAR系统发展概述

美国学者E.M.Kennaugh率先开展对雷达回波极化特性的研究，并提出最优极化状态理论。之后，J.R.Huynen博士利用E.M.Kennaugh提出的相关知识推导出了雷达目标现象学理论，并由此提出随机媒质散射分解概念。Poleman提出了极化合成概念，推动由雷达极化理论向实际应用的发展。此外，W.M.Boerner研究了地物目标散射特性对电磁波极化特性的影响，首次将极化特性应用到目标识别。

1988年，美国的NASA/JPL实验室基于飞机平台首次成功研制了极化雷达AIRSAR，该系统可工作于P波段和L波段，并采用两个正交的极化天线来分别发射和接收信号，首次实现对目标的极化测量，开启了低波段极化SAR在目标探测的新纪元。

1994年，NASA/JPL实验室基于航天飞机平台的极化雷达SIR-C成功发射，该系统工作于L波段，实现了低波段多极化SAR系统高空探测。

此外，德国的DLR研制了E-SAR极化雷达，该系统可工作于P波段、L波段；丹麦的DCRS研制了EMISAR极化雷达，该系统可工作于L波段，向用户提供全极化数据；2006年，日本成功发射对地观测卫星ALOS/PALSAR，该系统具有较高的空间分辨率，可向用户提供免费的低频段全极化数据。国内方面，中电38所成功研制了基于飞机平台的多波段多极化SAR系统，该系统工作于L波段可提供全极化数据，P波段时提供双极化数据。

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三、FR效应影响研究现状

1965年，S.H.Bickel和R.H.T.Bates率先提出了电离层FR效应对极化电磁波测量的影响模型，并建立了电离层对极化系统的测量模型，认为FR效应将会改变电磁波信号极化面，且FR效应对电磁波信号带来的影响远比色散效应带来的影响严重。

1998年，W.B.Gail建立了FR及其方位向波动对星载SAR系统冲激响应函数的影响模型，重点研究方位向FR波动对系统散射矩阵的影响。

2003年，P.A.Wright和S。Quegan等人通过近似分析和使用数值模型估计FRA大小，并研究FR效应对雨林中生物量和农作物等场景极化测量带来的影响,FR效应在赤道范围变化下较为明显，如在太阳活动极大期，高度每增高100km，FRA增加1.5度。在太阳活动较小期，高度每增高100km,FRA增加0.5度；FRA快速增长区域位于赤道上下1000km范围内。

2004年，A.Freeman基于散射互异性和反射对称性建立了FR效应对单极化、双极化和全极化的后向散射测量影响模型，并基于机载L波段全极化SAR数据对FR效应影响进行了理论分析和仿真评估。

2007年，R.Y.Qi和Y.Q.Jin未基于散射互异性假设来对极化测量矩阵进行研究，得到适用性更广的Mueller矩阵。

L.Li建立了FR效应及PD效应对全极化SAR各极化通道成像的影响模型，提出FR效应将带来测量散射矩阵误差，PD效应将影响成像。

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四、FR效应校正方法研究现状

FR效应的影响可用FRA表征，因而解决解决FR效应的前提是准确估计FRA值，进而实现对FR效应的校正。

1965年，S.H.Bickel和R.H.T.Bates提出可以将线极化测量矩阵转换为圆极化基，然后基于圆极化基推导得到FRA估计方法，即著名的Bickel&Bates方法，可简记为B&B方法。
2005年，梁甸农等人提出一种对极化SAR进行定标思路，在观测场景中设置定标体测量散射信息，利用散射信息对极化误差进行校正。

L.Li 在充分挖掘PCM信息的基础上，提出两种有效的FRA估计新方法，并对比新方法与现有方法在系统加性噪声、幅度不平衡、相位不平衡和串扰等误差影响下的性能。实验结果表明，Li提出的方法在相位不平衡下具有最优结果。

2016年，C.Wang基于圆极化基提出一种FRA估计方法，并指出FRA估计中的模糊问题。C.Wang还基于该方法进行TEC反演，并从系统加性噪声、幅度不平衡、相位不平衡、串扰等误差验证反演方法的性能。最后他提出FRA估计方法的选用原则取决于四种影响因子的残余误差。

论文架构：