极化合成孔径雷达在海洋目标检测中的性能评估与优化策略综述

《Canadian Journal of Remote Sensing》：A Study of Selected Constant False Alarm Rate (CFAR) Detectors for Vessels with Compact and Dual Polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR)

本综述系统性地评估了不同极化模式（CP/DP）下合成孔径雷达（SAR）的海洋目标检测性能，重点分析了基于似然比检验（LRT）的探测器（如OPD、QMF、PWF）在均匀与非均匀海杂波环境中的表现。研究揭示了圆极化（CP）相比双极化（DP）在多数场景下具有更优的检测能力，尤其在目标散射成分复杂时优势显著，为SAR海洋监测技术优化提供了重要理论依据。

　　

极化合成孔径雷达基础理论与模型

合成孔径雷达（SAR）通过发射和接收电磁波实现对地观测，其极化测量能力可捕获目标的散射特性。线性极化（LP）系统常采用双极化（DP）模式，包括同极化（HH/VV）和交叉极化（HV/VH）通道；而圆极化（CP）系统通过发射圆极化波并接收正交分量（RH/RV），可简化数据获取并增强对复杂目标的响应。散射矩阵、协方差矩阵和斯托克斯矢量是表征极化信息的核心数学工具，其中斯托克斯参数（g₀, g₁, g₂, g₃）可转换为极化度（DoP）和椭圆率角（χ）等物理量，用于描述目标的极化状态。

雷达截面积模型与似然比检测理论

目标检测依赖于对目标与干扰（海杂波+热噪声）的统计建模。确定性目标模型适用于简单点目标（如三面角反射体），其散射向量可精确描述；而随机目标模型（复高斯分布）适用于复杂多散射体目标（如船舶）。似然比检验（LRT）是检测理论的核心，通过比较假设H₀（仅干扰）和H₁（目标+干扰）下的概率密度函数（PDF）导出最优探测器，如最优极化检测器（OPD）。实际应用中，常采用恒虚警率（CFAR）技术自适应估计干扰参数以应对非均匀环境。

圆极化与双极化探测器性能对比

研究通过蒙特卡洛仿真生成接收机操作特性（ROC）曲线，评估了多种探测器在均匀与非均匀海杂波下的表现。关键发现包括：

1. 1.
   均匀杂波环境：基于LRT的探测器（OPD、QMF、PWF）性能最优，其中OPD因充分利用目标与干扰的极化信息而表现最佳。圆极化（CP）在多数场景下优于双极化（DP），尤其在目标同时包含奇/偶次散射时。
2. 2.
   非均匀杂波环境：杂波异质性（如服从K分布或3MD模型）导致所有探测器性能下降，但CP仍保持相对优势。PWF等依赖均匀假设的探测器性能退化显著，而物理特征驱动的探测器（如GP-PNF）表现相对稳健。
3. 3.
   目标类型影响：对于典型确定性目标（三面角体、二面角体），CP与DP性能差异显著；对于实际船舶目标，CP在散射成分多样时检测概率（P_D）平均提高10-15%。

技术局限与未来方向

当前研究存在若干局限：模型参数依赖于单一入射角（35°）数据，未涵盖全入射角范围；目标参数需先验已知，实际应用中需鲁棒估计方法；CP模型假设理想圆极化传输，与实际系统可能存在偏差。未来工作需拓展至真实SAR数据验证，发展异质杂波下的统计理论，并探索非理想极化条件下的检测器适应性。

结论与应用价值

圆极化SAR通过捕获相对相位和完整极化信息，显著提升海洋目标检测能力，尤其在复杂海况和目标散射机制下优势突出。该研究为SAR系统设计、探测器选择及海洋监测应用提供了理论支撑，对船舶交通监管、海洋资源管理等领域具有重要实践意义。