电磁波极化与极化分解(第四章)

电磁波极化与极化分解2011年11月4日中国科学院研究生院从3D电影到雷达干涉与极化两眼视差形成立体感极化隔离将左右眼视觉分开SAR立体测绘SAR干涉测量思考：选择哪种极化基昀好？•极化：极端化，偏向，取向•西方：在政治上，极化是指民意因分化而走向极端的过程（Inpolitics,polarizationistheprocessbywhichthepublicopiniondividesandgoestotheextremes.）。–政党：左翼、右翼；左倾、右倾；保守、激进；鸽派、鹰派；–国家：冷战时的美苏争霸；后冷战的美国霸权主义；现在及未来的多极化世界（G8，G10，金砖四国）；–用途：研究人类社会、自然。逻辑分析，形成科学•东方：《周易·系辞》：“是故，《易》有太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”–两仪（二爻）：阴，阳；奇，偶；刚，柔；玄，黄；乾，坤；春，秋；男，女；左，右；正，负…–四象：太阴，太阳，少阴，少阳；东，南，西，北；青龙，白虎，朱雀，玄武；朔，望，上弦，下弦；春，夏，秋，冬…（二爻相加，有四种可能的形象，称为四象）–八卦：乾，兑，离，震，巽，坎，艮，坤；天，泽，火，雷，风，水，山，地；健，悦，丽，动，入，陥，止，顺；父，少女，中女，长男，长女，中男，少男，母；西北，西，南，东，东南，北，东北，西南…（四象各加一爻成八卦）–用途：研究人，人与自然。效法天地，知天命，尽人事。自强不息，厚德载物，修身，齐家，治国，平天下。天人合一，无为大同。什么是极化？xùngènyáoxiàn2000-1000BC极化正交基电磁波的极化•极化也称偏振（偏向于某一个方向而振动）；–固定传播位置处电场矢量终端随时间变化形成的轨迹；–固定时间点上不同传播位置处电场矢量终端在垂直于传播方向的平面内所形成的投影；00cos()(,)cos()xxyyEtkzztEtkzE运行轨迹为椭圆；特殊情况：线极化，圆极化22000020000,,,,2cossin,xyyxyxxxyyEztEztEztEztEEEE极化波分类•完全极化波（completelypolarizedwave）：单色波且无噪声分量，完全相干，极化度为一：–雷达的发射波一般可看成完全极化波（实际上是准单色的）–单目标（也称纯目标、固定目标、纯目标、相干目标、平稳目标）的散射回波可认为是完全极化波•部分极化波（partiallypolarizedwave）：随机、时变或者有噪声，电场矢量终端轨迹不再是一个不变的椭圆，而随时间变化为变化，部分相干，极化度小于一：–分布目标：目标散射特性由于外界的风动、温度及压力梯度等因素的存在而随时间变动，比如流动的水面、随风而动的植被等；–雷达自身以及环境等引起的随机扰动•完全去极化波（completelydepolarizedwave）:电场矢量分量间完全不相关，电场矢量随时间变化随机，随机遍历所有的极化状态，极化度为零。–自然光，噪声•波的二分性定理*：一个部分去极化波可以分解成一个完全极化波和一个完全去极化波之和*M.BornandE.Wolf,PrinciplesofOptics,3rded..NewYork:PergamonPress,1965.极化波分类完全极化波（CP）部分极化波（PP）完全去极化波（CD）完全极化波的描述极化椭圆椭圆幅度A2200xyAEE0022002tan2cosxyxyEEEE0022002sin2sinxyxyEEEE方向角椭圆率22,4旋向的定义：从−z方向看去，电场矢量终端顺时针旋转的为左旋椭圆极化，逆时针旋转的为右旋椭圆极化（IEEE1979）。左旋椭圆极化的τ取为正值，右旋椭圆极化的τ取为负值000000cos,tan,cosyyyxxxEtkzEzttEztEtkztsignsigntJones矢量0000cos()(,)Recos()xyjxxxjkzjtjyyyEeEtkzzteeEtkzEeE00cossincossincossinxyjxxjjyyEeEAeEjEeE部分极化波的描述**0123**230112xxxyyxyyEEEEgggjggjgggEEEET*JEEStokes矢量22220123ggggJones相干矩阵Poincaré球Poincaré球内的点22**0022222201230123**221001**220033**00002cos02sinxxyyxyxxyyxyxyyxxyxyyxxyEEEEEEggggggggEEEEgEEgggEEEEEEggjEEEEEEEgCPCDgg**22000**221000**2003**001cos2cos2cos2sin22cossin22sinxxyyxyxxyyxyxyyxxyxyyxxyEEEEEEgEEEEgEEggEEEEEEgjEEEEEEEg完全极化波时Poincaré球面的点2221230gggDoPg极化度：112212200T*T*1122JUUuuuu12iip极化熵*：221logiiiHpp各项异性*：1212A*S.R.CloudeandE.Pottier,“Theconceptofpolarizationentropyinopticalscattering,”OpticalEngineering,vol.34,no.6,pp.1599-1610,Jun.1995.22220123gggg电磁波与目标的相互作用•电磁波与目标的作用：信号源产生发射信号，在天线上产生交变电流，通过交变电磁场将能量辐射出去；目标截取到入射电磁波并产生感应电流，通过感应电磁场的形式将能量散射出去；雷达天线接收到来自目标后向散射场并产生感应电流，即回波信号，回波通过中央数字处理单元后处理形成图像或提取出目标信息。–几何因素：目标位置、高程及成像几何；反应在回波相位和像素位置上–物理因素：目标结构、形状、粗糙度、湿度等；反应在回波的相位、幅度和极化中•电磁波与目标的作用过程就是目标对电磁波幅度调制、相位调制和极化调制的过程电磁波与目标相互作用的描述：单目标•散射矩阵：描述目标散射电场与入射电场Jones矢量间的变换关系•散射矩阵的测量：jkrjkrXXXYYXYYSSeeSSrrSIIESEE雷达截面积RCS：24ijijS交替单发双收：1.X天线发送，X和Y天线同时接收，得到了SXX和SXY2.Y天线发送，X和Y天线同时接收，得到了SYX和SYYX和Y代表任意的极化正交基“两仪生四象”全极化测量的必要性：全面理解杜绝偏见1000S水平偶极子：垂直偶极子：0001S球、平面、三面角等奇次散射：1001S二面角等偶次散射：1001S森林、植被等体散射：0110S水平和垂直极化基下常见目标的散射矩阵：同相反向变极化电磁波与目标相互作用的描述：分布目标000000-ABCHFCABEGHEABDFGDABKStokes矩阵（Kennaugh矩阵）：描述Stokes矢量间的关系21rSIEEgKg**0**1**23**xxyyxxyyxyyxxyyxEEEEgEEEEggEEEEgjEEEEEg202222022*****1411441Im2ReImImReXXYYXXYYXYXXYYXYXXYYXXYYXYXXYYXYXXYYXYXXYYXYXXYYASSBSSSBSSSCSSDSSESSSFSSSGSSSHSSS雷达目标的现象学理论*PhenomenologicalTheoryofRadarTargets*J.R.Huynen,PhenomenologicalTheoryofRadarTargets.Ph.DThesis,UniversityofDelfTechnology,theNetherlands,Dec.1970.电磁波与目标相互作用的描述：分布目标协方差矩阵：2**02**2**()()2()2-1()()2()22()2()4XXYYXXYYXXYYXXYYXYXXYYXXYYXXYYXXYYXYXXYYXYXXYYXYXYSSSSSSSSSACjDHjGSSSSSSSSSCjSSSSSSS*TTkk00DBBEjFHjGEjFBB122TXXYYXXYYXYSSSSSkPauli矢量：2**2**2**22222XXXXXYXXYYXXXYXYXVYYXXYYXYYYYYSSSSSSSSSSSSSSS*TCΩΩ3()13()LPLPCUTU相干矩阵：2TXXXYYYSSSΩ3()101110-12020LPU二阶统计特性，类比于《随机过程》中相关内容。思考：为什么不直接用平均散射矩阵来描述？21102HHVVTASS2220HHVVTBBSS23302HVTBBS“四象生八卦”目标极化分解了解目标，知道目标是什么，从而对其进行识别和分类1、为什么要目标分解？2、为什么须要极化信息？因为极化对目标的结构、散射特性等敏感4、怎么分解？分解思路（认识论）根据属性进行分解：互易性，对称性；根据类型进行分解：球、平面、二面角、三面角、植被、螺旋体…综合的思想：在候选的类型基上展开；固定类型：基于模型的分解；自适应类型：基于特征矢量分解；昀优的思想：找出候选的类型中和目标昀“像”的（属性，类型）；属性+类型混合分解：先属性再类型Huynen系统地进行了尝试，引领了这个领域，现有的研究成果对这一假设进行了实际验证3、电磁波极化具有可分性（波的二分性理论），但是波极化所携带的目标信息是否具有可分性？为什么？能不能？怎么做？目标极化分解•单目标：散射矩阵，固定目标，相干分解具体情况()()()HVHVHHHHHHHVVVHVHHVVHHjjjHHHVHHHVjjjjjHVVVHVVVSeSeSSeeSeSeSeSeS绝对相位项相对散射矩阵单目标只有五个自由度，相干矩阵九个参数中只有五个独立0*002-TACjDHjGCjDBBEjFHjGEjFBBSTkk0*002-TACjDHjGCjDBBEjFHjGEjFBBTkk•分布目标：二次统计矩阵，分布目标，非相干分解22002200002()2()22ABBHGABBCDAECHDGAFCGDH