极地冰川厚度探测方法
【专利摘要】本发明提供了一种极地冰川厚度探测方法。该极地冰川厚度探测方法包括：步骤A，接收该探测雷达波的回波信号S(t)；步骤B，对待测极地冰川实际冰表面地形分布进行自适应非均匀三角面元数值插值剖分处理；步骤C，计算每个三角面元的散射场，模拟待探测极地冰川的冰表面雷达回波信号；步骤D，利用模拟的冰表面雷达回波信号消除雷达回波信号S(t)中的冰表面杂波成分；以及步骤E，对消除冰表面杂波成分的雷达回波信号进行相干处理，提取极地冰川内部分层回波信号，绘制出雷达照射区域极地冰川厚度分布图。本发明可以实现冰底层弱信号提取和杂波抑制处理，绘制出整个极地冰覆盖区域的冰层厚度和内部结构信息。
【专利说明】极地冰川厚度探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达【技术领域】，尤其涉及一种应用雷达技术的极地冰川厚度探测方法。
【背景技术】
[0002]极地冰帽和冰川分布变化对全球气候变化和淡水资源分布有着重要的影响作用和研究意义。同时大部分人居住在距离海岸几十公里内，研究海平面的变化对人类的生活和居住迁徙提供主要研究依据。上个世纪六、七十年代各个国家就开始对极地冰帽的分布进行相关科学实验研究，中国已经进行了 29次南极科考实验，并取得了有价值的极地冰层分布雷达数据。目前各国主要是用工作在VHF / UHF频段的遥感雷达设备进行冰层分布探测，包括车载雷达、机载雷达、卫星雷达进行冰层厚度探测。车载雷达虽然探测冰厚能力强，成本低，系统简单，但是测量范围有限；机载雷达和星载雷达系统复杂，但是测量范围大，可以实现整个极地冰帽和冰)11的冰层分布成像，更加有利于观测极地冰层的变化。
[0003]南极冰的厚度可以达到3?4千米的深度，内部冰层回波将被淹没在表面杂波或噪声当中，给雷达探测冰厚带来难度。传统的雷达信号处理技术是用合成孔径(SAR)技术进行方位向杂波抑制，波束合成方法进行垂直方位向的杂波抑制处理，可以有效的提取出内部冰层回波信号和分层结构。传统的信号处理技术适用于冰表面起伏小，粗糙度小的极地冰的中心分布区域，目前国际上用传统技术处理冰雷达回波数据给出了极地冰川50%的覆盖区域的冰厚分布，但是对于表面起伏大，粗糙度大的冰覆盖区域，尤其是分布有大量冰川和峡谷的极地冰边缘和靠近海岸的大起伏、大粗糙度的冰表面，传统的雷达回波处理技术对冰厚的探测处理能力将会有限。

【发明内容】

[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种极地冰川厚度探测方法，以提高大起伏、大粗糙度情况下极地冰)11厚度探测的精度。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种极地冰川厚度探测方法。该极地冰川厚度探测方法包括:步骤A，向待测极地冰川发射探测雷达波，并接收该探测雷达波的回波信号S(t);步骤B，对待测极地冰川实际冰表面地形分布进行自适应非均匀三角面元数值插值剖分处理，数值插值剖分处理使得每个三角面元的尺寸远小于探测雷达波波长；步骤C，计算每个三角面元的散射场，模拟待探测极地冰川的冰表面雷达回波信号；步骤D，利用模拟的冰表面雷达回波信号消除雷达回波信号S(t)中的冰表面杂波成分；以及步骤E，对消除冰表面杂波成分的雷达回波信号进行相干处理，提取极地冰川内部分层回波信号，绘制出雷达照射区域极地冰川厚度分布图。
[0008](三)有益效果[0009]本发明可以有效弥补传统信号处理技术提取冰底层回波信号的局限性和不足，对于大粗糙度和大起伏的任意表面分布的冰覆盖区域，应用本发明可以实现冰底层弱信号提取和杂波抑制处理，绘制出整个极地冰覆盖区域的冰层厚度和内部结构信息。通过雷达回波精确模拟，对雷达系统设计和优化提供重要的依据，提高数据后处理能力，降低雷达系统复杂度。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1为本发明所提供的机载探冰雷达回波信号杂波抑制和弱信号提取的信号处理流程图；
[0011]图2为研究的实际冰川地形分布图；
[0012]图3为数值插值方法获取高分辨率的冰川数字高程图；
[0013]图4为机载探冰雷达对冰表面和冰下分层结构探测的物理模型；
[0014]图5为模拟实际机载雷达探测系统雷达回波观测；
[0015]图6为用雷达回波模拟、数字滤波技术和信号相干处理进行杂波抑制后获取的冰底层结构成像结果。
【具体实施方式】
[0016]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0017]本发明通过精确的模拟真实冰表面雷达回波信号，对于粗糙度大，分布非均匀的冰表面特性，对雷达实际观测到的雷达回波数据进行相关处理，去除掉雷达观测中冰表面的雷达回波信号，只保留冰内部分层的回波信号，达到提取冰层内部回波弱信号的目的；对于有少数山体或大目标分布的冰表面，也可以根据冰表面雷达回波模拟，估计数字滤波器阈值，然后用该阈值的数字滤波器进行冰表面杂波抑制，提取内部冰层回波信号。
[0018]在本发明的一个示例性实施例中，提供了了一种极地冰川厚度探测方法。图1为根据本发明实施例极地冰川厚度探测方法的流程图。如图1所示，本实施例极地冰川厚度探测方法包括:
[0019]步骤A，应用机载雷达向待探测的极地冰川发射探测雷达波，并接收该探测雷达波的雷达回波信号S (t)；
[0020]1993年美国宇航局的机载测高仪绘制出极地冰表面数字高程分布，垂直向分辨率可以达到10cm。本发明利用该极地冰表面数字高程分布来判断冰表面的粗糙度。对于冰表面均方根高度小于IOm认为粗糙度小的区域，而均方根高度大于10m，则认为粗糙度大的区域。
[0021]本发明中，对于冰表面粗糙度小，起伏平缓的探测极地冰川区域，可以采用传统的SAR技术和波束合成进行杂波处理提取冰底层回波信号即可。而对于粗糙度大的冰)11区域，采用本发明提出的杂波抑制方法进行冰川厚度探测，执行步骤B。[0022]图2给出了本实施例研究的实际Chongce Shan冰川地形分布，冰川位于北纬35.3度，东经81度。冰川表面起伏剧烈，最高处的高度有几百米，低凹处的有-150米，冰表面地形分布不均匀。
[0023]此外，虽然本实施例中采用机载雷达进行极地冰川厚度探测，其同样也可以采用星载雷达，其原理与本实施例相同，此处不再详细说明。
[0024]步骤B，对待测极地冰川的极地冰表面数字高程分布进行自适应非均匀三角面元数值插值剖分处理，数值插值剖分处理使得每个三角面元的尺寸远小于探测雷达波波长；
[0025]本发明提出数值样条插值实现水平向高分辨率，达到合适网格大小的剖分处理要求。理论要求剖分三角面元尺寸不超过1/6倍的探测雷达波波长，可以实现更精确的雷达回波模拟。
[0026]图3是本发明提供的数值插值方法实现冰表面网格剖分的尺寸要求而绘制的其中一部分冰川数字高程分布。因为测高仪的分辨率可以达到10厘米甚至更高分辨率，横向插值可以有效提高冰表面数字高程分辨率。
[0027]步骤C,根据Kirchhoff理论和Stratton’s积分方法计算每个三角面元的散射场，模拟待探测极地冰川的冰表面雷达回波信号；
[0028]图4是本发明所给出的机载雷达对冰表面和冰下分层结构探测的物理模型，其中描绘了由两层介质所构成的分层粗糙面结构，其中冰层的介电常数为S1，损耗角正切为tan S1，岩石层介电常数为ε2，损耗角正切为tanS2。天线系统(偶极子天线)向冰表面发射LFM电磁波(图中标记Pt),电磁波在表面发生反射和透射,后向散射波被天线系统接收(图中标记P1)，透射波穿透冰层在冰底面发生反射然后又经冰表面透射而被天线系统接收(图中标记P2)，相对时间延时为22^/c (c是光速，z为冰层的厚度)。
[0029]设由偶极子天线产生的入射场为= ，则雷达接收电场为:
[0030]
【权利要求】
1.一种极地冰川厚度探测方法，其特征在于，包括: 步骤A，向待测极地冰川发射探测雷达波，并接收该探测雷达波的回波信号S(t)； 步骤B，对待测极地冰川实际冰表面地形分布进行自适应非均匀三角面元数值插值剖分处理，数值插值剖分处理使得每个三角面元的尺寸远小于探测雷达波波长； 步骤C，计算每个三角面元的散射场，模拟待探测极地冰川的冰表面雷达回波信号；步骤D，利用模拟的冰表面雷达回波信号消除雷达回波信号S(t)中的冰表面杂波成分；以及 步骤E，对消除冰表面杂波成分的雷达回波信号进行相干处理，提取极地冰川内部分层回波信号，绘制出雷达照射区域极地冰川厚度分布图。
2.根据权利要求1所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述步骤D包括: 子步骤D1，根据模拟的冰表面雷达回波信号，观察冰表面杂波信号功率峰值大小，给出冰表面杂波的抑制门限值，进而确定待抑制杂波所处的所有的距离单元对应的距离区间；通过SAR成像分析对应距离区间内的干扰目标分布，计算不同干扰目标所在的距离单元；子步骤D2，由确定的距离单元从模拟的冰表面雷达回波信号通过加窗方式提取出待抑制杂波所在的各个距离单元的回波序列； 子步骤D3，用傅里叶级数表示待抑制杂波各个距离单元的回波序列；以及子步骤D4，从雷达回波信号S(t)中逐个滤除掉用傅里叶级数表示的待抑制杂波各个距离单元的回波序列。
3.根据权利要求2所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述子步骤Dl中，确定距离区间内不同干扰目标所在的对应距离单元包括: 通过SAR分析得到该距离区间内所有干扰目标分布的具体位置； 计算各个干扰目标到雷达天线的距离rn，n=l，2，3…； 计算各个干扰目标落在对应的距离单元，该距离单元的距离Rn=rn_H，H为雷达垂直高度，起始时间为tn，tn=Rn / c，终止时间为tn+T，其中，c为光速，T为发射脉冲时宽；以及对所述冰表面模拟雷达回波信号做傅里叶变换，找出对应距离单元点的频率fn，其中fn=2Rn / c.K，K是线性调频信号调频率。
4.根据权利要求3所述的极地冰)11厚度探测方法，其特征在于，所述子步骤D2中，对于第η个待抑制的距离单元，对应的回波序列为:
S (tj) (tn ≤tj ≤ tn+T) 其中，j=l，2，…(T / At-l)，At为回波采样间隔。
5.根据权利要求4所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述子步骤D3中，对于第η个待抑制的距离单元回波序列进行傅里叶级数表示:
S (tj) =ancos (2 n fntj) +bnsin (2 n fntj) 其中，傅里叶正余弦系数为
6.根据权利要求5所述的极地冰)11厚度探测方法，其特征在于，所述子步骤D4中，对于雷达回波信号S(t)依次对每个距离单元执行下式，当对所有的距离单元都执行完毕之后，完成雷达回波信号S(t)中的冰表面杂波成分抑制； 其中，对于第η个待抑制的距离单元，进行从雷达回波中将其滤除:

7.根据权利要求1所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述步骤D包括: 根据模拟的冰表面雷达回波由雷达实际观测到的信号分离出冰表面杂波和冰底层回波，只保留冰底层回波信号。
8.根据权利要求1所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述步骤E包括: 根据冰底层天底点回波和冰表面天底点回波相干的回波特性，以及非天底点回波的非相干特性，对冰表面杂波成分抑制后的雷达回波信号做相干叠加使得天底点回波增强，非天底点回波减小，从而提取极地冰内部分层回波弱信号，绘制出雷达照射区域极地冰川厚度分布图。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述步骤B中，所述三角面元尺寸不超过1/6倍的探测雷达波波长。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的极地冰川厚度探测方法，其特征在于，所述步骤A中，通过星载雷达或机载雷达向待测极地冰川发射探测雷达波，并接收该探测雷达波的回波信号S (t)。
【文档编号】G01S7/41GK103913733SQ201410147326
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】张晓娟, 吴超, 王友成, 王辰 申请人:中国科学院电子学研究所