在空间科学与空间应用的发展开始在全球各国复兴之时,在合成孔径雷达(SAR)开始在国民经济发展与国家安全保障密切相关的各遥感领域得到空前广泛的应用之时,作为本领域的博士学位研究论文,本文全面研究和发展了一套建立在电磁波与地表目标相互作用的物理基础之上、从散射传播机理与雷达成像原理出发、进行复杂地表结构的一维脉冲回波模拟和综合自然场景的二维雷达成像模拟、实现地表分类及参数反演和目标重建的基于极化合成孔径雷达的正向与逆向有机结合的遥感理论。在这套理论的研究过程中发展了一系列原创性的散射模型和散射估计方法、回波与成像模拟算法、极化信息解析理论、地表参数反演和三维目标重建理论与方法,旨在初步解决当前主动微波遥感特别是合成孔径雷达信息获取方面的部分问题,也为将来合成孔径雷达技术发展提供帮助和参考。全文分正向研究、逆向研究和扩展研究三部分。正向研究部分首先建立了粗糙面上非球形粒子层的矢量辐射传输模型,解得一阶Mueller矩阵解中包含面散射、体散射及相互作用的五项散射机制,用于模拟植被覆盖地表的极化散射,其中垂直地面的介质圆柱模拟树干,随机取向的细长圆柱模拟树枝,针状盘状粒子模拟针叶阔叶等。对比实验数据,该模型能有效估计植被地表的极化散射。通过不同算例的分析,研究了不同散射机制的贡献与植被层和地表面各物理参数的联系。在矢量辐射传输方程中引入时间变量并转换到频域求解,可进一步将该模型推广到时域,用于模拟时变入射波探测植被地表的极化回波波形。在此基础上发展了具有上下两层粗糙界面、中间镶嵌随机分布粒子的次表面介质层的模型,解得一阶Mueller矩阵解中包含七项散射机制。该模型延伸应用在脉冲波探测月球表面月壤层的问题。按月壤真实参数模拟低频脉冲波探测月壤层,发现回波波形能清晰反映月壤结构及物理特征等信息,据此提出了用低频段极化雷达脉冲波探测月壤层厚与层结构的新方案。在散射与回波模拟的基础上,继而研究了包含植被、建筑物及各种地形的复杂自然场景的SAR成像模拟。提出映射投影算法(MPA)以快速计算复杂场景的散射系数图,首先对场景进行网格划分,然后按入射方向依次累积各网格的衰减到投影平面、累加其散射到映射平面。该算法考虑了可穿透性植被目标的散射与衰减、树干及建筑物墙面与地面之间的多次散射、以及成像空间中任意位置地物的散射、衰减与遮蔽。由散射系数图经相干斑模拟、原始信号生成、成像压缩得到模拟SAR图像。对应地,逆向研究部分从零维散射信息或单个像素信息、一维回波信号到二维图像数据分别研究了极化信息解析和地表分类、回波信号处理和参数反演、多方位观测和三维目标自动重建三个主题。针对极化SAR的地表分类应用,提出目标全极化散射的去取向理论(De-orientation),通过对目标散射矢量的变换将目标旋转到一个特定的取向,使得原本取向不同但特征相同的目标能具有相同的散射信息,凸现目标本身特性。同时解析定义了去取向参数:去取向角、投影介电极性、介电跳跃度等,再加上已有的熵,四个参数构建无监督地表分类模式,由极化SAR数据将地表分为如地面、海面、森林、农田、城区、郊区等各种类别,对于同一类地表又可以由去取向角分析地物的取向分布特征,达到进一步细化分类的目的。用星载与机载极化SAR数据进行分类实验,对比传统的Alpha-A-H分类方法,结果表明去取向分类方法具有更好的分类性能。在对植被地表回波波形的分析中发现:波形传递了植被层与地表面的各种信息。由此,建立散射系统响应函数模型,将散射过程看成一个由入射波信号激励的系统,而回波就是系统响应。参考时域Mueller矩阵解的表达式,设计了植被地表这一散射系统的响应函数解析式,该响应函数由四组系统参数描述。用自适应非线性最小二乘法去拟合回波波形,可以成功估计这些系统参数。进一步通过推导系统参数与物理参数的理论关系,再结合先验知识,发展了同时反演粒子层厚度、粒子尺寸、取向、密度、介电常数、地面粗糙度和湿度的方法。据此提出了用低轨飞行的植被穿透脉冲雷达来获取植被与下垫地面信息的新方案。最后提出了用多方位SAR图像重建三维建筑物目标的方法。分为目标像的提取和多方位重建两个部分。目标像的提取流程包括先用恒虚警率检测器检测各目标像的边缘,并用脊滤波细化,再用平行线Hough变换检测平行线段,最终得到平行四边形建筑物像。多方位重建时,首先用统计几何描述不同方位的建筑物像,建立多方位目标像的参数相关模型给出其极大似然估计,再设计自动重建算法,从多方位检测结果中以较高的可靠性重建建筑物目标。用模拟和真实的SAR图像进行的重建试验,结果证明该方法的有效性,并给出发展多方位星载SAR重建应用的初步建议。扩展研究部分包括双站SAR研究和目标与环境散射估算。在双站SAR的研究中,首先针对平飞斜视配置,推导了双站SAR信号模型的频域表示式,给出了分离距离关联的近似解和较为精确的迭代解,对应地给出近似解和迭代解两种成像压缩算法。同时还将距离多普勒算法推广到双站情况。最后通过成像模拟说明了它们的有效性和优缺点。然后,在单站SAR映射投影算法基础上,通过三维投影和映射实现双站SAR成像模拟的映射投影算法(Bi-MPA),用于模拟复杂自然场景的双站SAR图像。通过设计各类场景并模拟双站SAR图像,分析了双站SAR图像上不同地物的成像特征与极化特征,发现传统极化特征参数在双站SAR图像上不再能有效表现地物散射的极化特征。对此提出统一双站极化基变换,并修改了极化特征参数的定义,使其保持原有的分离取向关联等优点。结果表明,统一双站极化基变换后,不同地物散射的极化特征更明显,而重新定义的极化特征参数也能反应不同散射机制,提供了BISAR图像解译和地表分类的初步手段。针对目标与环境的复合散射问题提出双向解析射线追踪法(BAR-Tracing),对于由面元和边缘建模的复杂目标,在入射方向和散射方向的反方向分别追踪射线并记录散射元上照射到的各阶射线,由此计算所有由一次散射和多次反射构成的多次散射项。其中,引入面元反射和散射发生概率以避免重复计算面元的散射贡献。此外,还用包含相干反射分量和非相干漫散射分量的粗糙面元建模粗糙面环境,实现目标与环境共存问题的通用解法。该技术使得大面元无需细剖分,从而降低复杂度。通过二面角、海面船舰等算例与精确的计算电磁学方法的对比,表明该方法能够提供较为可靠的散射快速估算。由正向研究、逆向研究和扩展研究构成的这套全极化合成孔径雷达遥感理论是作者四年多博士研究工作的总结,期望能初步解决合成孔径雷达遥感的部分问题。其间还有许多有待完善和深入的地方,何况技术和需求的日新月异,这都要求继续开展更深入更广泛的研究。