極化也稱偏振，描述著電磁波的矢量特征。電磁波極化對(duì)目標(biāo)幾何物理信息敏感，因此基于對(duì)目標(biāo)散射波極化的分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其材料特性、幾何形狀和方向取向等信息的測量，這對(duì)于提升雷達(dá)的探測、成像、識(shí)別和抗干擾等能力具有極大潛力。雷達(dá)極化測量將目標(biāo)信息存儲(chǔ)于矩陣數(shù)據(jù)中。利用極化分解方法處理矩陣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和解譯，這是一直以來微波遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。極化分解經(jīng)過50年蓬勃發(fā)展，已形成了唯象分解、特征分解、模型分解和相干分解等方法。其中，模型分解致力于將目標(biāo)在諸如表面散射、二面散射和體散射等標(biāo)準(zhǔn)模型上展開，代表工作有美國加州理工學(xué)院Freeman和Durden提出的三分量模型分解和日本新瀉大學(xué)Yamaguchi團(tuán)隊(duì)提出的四分量模型分解Y4R、S4R和G4U等。作為Y4R和S4R的提升算法，G4U通過引入特殊酉變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)極化矩陣所有信息的使用，已成功應(yīng)用于對(duì)林業(yè)、農(nóng)業(yè)、濕地、積雪、冰川、地表、環(huán)境、人造目標(biāo)以及地震、海嘯和山體滑坡等災(zāi)害的遙感中，代表著四分量模型分解的最新水平。

　　盡管其廣泛應(yīng)用，但對(duì)于G4U利用特殊酉變換實(shí)現(xiàn)完整極化信息利用的工作機(jī)理，學(xué)界尚存在疑惑。針對(duì)該問題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?jiān)迫A研究員團(tuán)隊(duì)的李東副研究員，通過對(duì)G4U散射平衡方程組的嚴(yán)格推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)特殊酉變換引入了一個(gè)冗余的平衡方程，導(dǎo)致G4U平衡方程組不再有唯一解。通過尋找通解，研究團(tuán)隊(duì)獲得了一個(gè)廣義分解，其以S4R和G4U為特解，提供了一種拓展G4U分解形式（EG4U）。EG4U不僅可提升建筑物區(qū)域的二面散射，還可增強(qiáng)陸地和水體的表面散射，在十組極化雷達(dá)圖像上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)展示了其卓越的目標(biāo)分解性能。數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)一步表明，無論采用何種特殊酉變換，G4U中總存在一個(gè)剩余項(xiàng)，故引入特殊酉變換無法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)極化信息的完整建模。

　　該研究成果近期發(fā)表在地學(xué)和遙感領(lǐng)域著名期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上，并獲得了審稿專家的高度認(rèn)可，認(rèn)為該項(xiàng)研究有望開辟模型分解新的研究視角，對(duì)該領(lǐng)域研究做出了重要貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)超過極化分解方面已出版的大多數(shù)工作。“I expect this work could open a new perspective for the PolSAR model-based decomposition topic. Certainly, I believe this is the first serious critical appraisal of a set of model-based decomposition schemes in the literature, and makes a significant contribution to the published knowledge in this field”。：“Bearing in mind this fact, I believe this manuscript outperforms most of previously published works on PolSAR decompositions so far”。文章鏈接

　　圖一：2011/03/11日本東北大地震/海嘯前后L波段星載ALOS-PALSAR全極化數(shù)據(jù)EG4U偽彩色分解結(jié)果（紅色：二面散射，對(duì)應(yīng)于建筑物；綠色：體散射，對(duì)應(yīng)于森林和植被覆蓋區(qū)域；藍(lán)色：表面散射，對(duì)應(yīng)于陸地和水體）。（a）災(zāi)害前（2010/11/21），（b）災(zāi)害后（2011/04/08）。

　　基于上述研究成果，鑒于EG4U在目標(biāo)解譯上的優(yōu)異性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其用于對(duì)2011日本東北大地震/海嘯前后L波段星載ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)的處理。如圖一所示，（a）圖中許多紅色像素在（b）圖變?yōu)樗{(lán)色，這表明主導(dǎo)散射機(jī)制由二面散射轉(zhuǎn)為表面散射，反映出了建筑物的倒塌。以面元A所示石卷市為例，散射機(jī)制的強(qiáng)烈變化主要出現(xiàn)在海邊而非遠(yuǎn)離海岸區(qū)域，表明東北海嘯/地震造成的嚴(yán)重?fù)p失主要源于洪水而非地震。來自女川灣和萬石浦的洪水也席卷了女川町地區(qū)，導(dǎo)致（a）圖面元B中大部分紅色像素在（b）圖中變?yōu)樗{(lán)色甚至綠色。這表明除了少數(shù)高海拔建筑外，女川町幾乎所有建筑都遭到了洪水的嚴(yán)重破壞。洪水造成的最大破壞出現(xiàn)于圖中右下角的北上河沿岸地區(qū)。以面元C所示釜谷地區(qū)為例，（a）圖中可清楚將釜谷與北上河分開，然而災(zāi)害發(fā)生后，該地區(qū)幾乎所有土地和建筑都被河水淹沒，（b）圖中廣泛分布的藍(lán)色像素展示了主導(dǎo)的表面散射。因此，利用提出的EG4U對(duì)災(zāi)害前后的全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解以構(gòu)造偽彩色編碼散射功率圖像，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海嘯/地震災(zāi)害直觀且準(zhǔn)確的監(jiān)測和評(píng)估。該研究成果已受邀作為獨(dú)立一章內(nèi)容出版在IntechOpen出版社的最新書籍《Tsunami》中。文章鏈接

　　圖二：日本富士山地區(qū)取向角反演。（a）美國SRTM航天飛機(jī)干涉雷達(dá)測量結(jié)果；（b）提出的算法、（c）圓極化基算法和（d）最小交叉極化算法處理星載ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)所得結(jié)果。由于富士山地區(qū)地形起伏陡峭，現(xiàn)有方法失效，而提出的算法通過拓展取向角范圍可獲得與雷達(dá)干涉測量一致的反演結(jié)果。

　　極化表征著電磁波對(duì)方向的記憶和存儲(chǔ)能力。這使得電磁波能完整記憶目標(biāo)對(duì)其極化方向的調(diào)制過程，為目標(biāo)幾何取向的測量提供了新的技術(shù)途徑。2000年美國海軍實(shí)驗(yàn)室J.-S. Lee等人利用圓極化基取向角估計(jì)算法（CPA），成功從機(jī)載全極化AIRSAR數(shù)據(jù)中反演出美國加州地區(qū)的三維地貌，開辟了極化雷達(dá)的全新應(yīng)用方向。

　　盡管取得了巨大成功，但CPA估計(jì)的取向角存在纏繞，導(dǎo)致其無法適用于陡峭地形區(qū)域的地貌反演。雖然近20年來學(xué)者們提出了大量取向角估計(jì)算法，但這些算法在本質(zhì)上并沒有解決角度纏繞問題，且導(dǎo)致取向角的定義出現(xiàn)了一定的歧義。為此，基于自然Bragg面散射的極化特性，張?jiān)迫A研究員團(tuán)隊(duì)的梁莉婷博士生，提出了一個(gè)全新的極化取向角估計(jì)算法，將取向角的估計(jì)范圍由傳統(tǒng)的[-45, 45]拓展至與地物實(shí)際取向范圍相符的(-90, 90]，并在平坦區(qū)域可獲得與常用的CPA和最小交叉極化算法一致的估計(jì)結(jié)果。通過完善幾何意義上的取向角刻畫，研究團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一了基于目標(biāo)物理特性的傳統(tǒng)取向角定義，為認(rèn)識(shí)和理解取向角的纏繞問題提供了一個(gè)全新的視角。利用提出的取向角估計(jì)算法，研究團(tuán)隊(duì)從L波段星載ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)中成功反演出日本富士山地區(qū)的陡峭三維地貌，取得了與美國SRTM航天飛機(jī)干涉雷達(dá)系統(tǒng)高度一致的地形觀測結(jié)果；對(duì)泰國清邁地區(qū)P波段機(jī)載AIRSAR數(shù)據(jù)的處理結(jié)果也展現(xiàn)出與干涉雷達(dá)數(shù)字高程良好的一致性。

　　該研究成果近期也發(fā)表在地學(xué)和遙感領(lǐng)域著名期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上。審稿人評(píng)價(jià)，文章主題及其所關(guān)注的取向角纏繞和地形估計(jì)問題具有吸引力（The topic of this paper is interesting; this paper considers an interesting investigation on the phase unwrapping problem related to desaying problem; it is still interesting to show applying the physical constraint to the terrain problem），文章撰寫出色，細(xì)節(jié)充分（a well-written manuscript with sufficient details, is great for publication as it is），相信該研究將獲得TGRS讀者的廣泛興趣（the study presented by authors would be of interest to TGRS readers）。文章鏈接