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極地冰川厚度探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種極地冰川厚度探測(cè)方法。該極地冰川厚度探測(cè)方法包括：步驟A，接收該探測(cè)雷達(dá)波的回波信號(hào)S(t)；步驟B，對(duì)待測(cè)極地冰川實(shí)際冰表面地形分布進(jìn)行自適應(yīng)非均勻三角面元數(shù)值插值剖分處理；步驟C，計(jì)算每個(gè)三角面元的散射場(chǎng)，模擬待探測(cè)極地冰川的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)；步驟D，利用模擬的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)消除雷達(dá)回波信號(hào)S(t)中的冰表面雜波成分；以及步驟E，對(duì)消除冰表面雜波成分的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號(hào)，繪制出雷達(dá)照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)冰底層弱信號(hào)提取和雜波抑制處理，繪制出整個(gè)極地冰覆蓋區(qū)域的冰層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
【專利說(shuō)明】極地冰川厚度探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)的極地冰川厚度探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]極地冰帽和冰川分布變化對(duì)全球氣候變化和淡水資源分布有著重要的影響作用和研究意義。同時(shí)大部分人居住在距離海岸幾十公里內(nèi)，研究海平面的變化對(duì)人類的生活和居住遷徙提供主要研究依據(jù)。上個(gè)世紀(jì)六、七十年代各個(gè)國(guó)家就開(kāi)始對(duì)極地冰帽的分布進(jìn)行相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了 29次南極科考實(shí)驗(yàn)，并取得了有價(jià)值的極地冰層分布雷達(dá)數(shù)據(jù)。目前各國(guó)主要是用工作在VHF / UHF頻段的遙感雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行冰層分布探測(cè)，包括車載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、衛(wèi)星雷達(dá)進(jìn)行冰層厚度探測(cè)。車載雷達(dá)雖然探測(cè)冰厚能力強(qiáng)，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是測(cè)量范圍有限；機(jī)載雷達(dá)和星載雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，但是測(cè)量范圍大，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)極地冰帽和冰)11的冰層分布成像，更加有利于觀測(cè)極地冰層的變化。
[0003]南極冰的厚度可以達(dá)到3?4千米的深度，內(nèi)部冰層回波將被淹沒(méi)在表面雜波或噪聲當(dāng)中，給雷達(dá)探測(cè)冰厚帶來(lái)難度。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)是用合成孔徑(SAR)技術(shù)進(jìn)行方位向雜波抑制，波束合成方法進(jìn)行垂直方位向的雜波抑制處理，可以有效的提取出內(nèi)部冰層回波信號(hào)和分層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)適用于冰表面起伏小，粗糙度小的極地冰的中心分布區(qū)域，目前國(guó)際上用傳統(tǒng)技術(shù)處理冰雷達(dá)回波數(shù)據(jù)給出了極地冰川50%的覆蓋區(qū)域的冰厚分布，但是對(duì)于表面起伏大，粗糙度大的冰覆蓋區(qū)域，尤其是分布有大量冰川和峽谷的極地冰邊緣和靠近海岸的大起伏、大粗糙度的冰表面，傳統(tǒng)的雷達(dá)回波處理技術(shù)對(duì)冰厚的探測(cè)處理能力將會(huì)有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種極地冰川厚度探測(cè)方法，以提高大起伏、大粗糙度情況下極地冰)11厚度探測(cè)的精度。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種極地冰川厚度探測(cè)方法。該極地冰川厚度探測(cè)方法包括:步驟A，向待測(cè)極地冰川發(fā)射探測(cè)雷達(dá)波，并接收該探測(cè)雷達(dá)波的回波信號(hào)S(t);步驟B，對(duì)待測(cè)極地冰川實(shí)際冰表面地形分布進(jìn)行自適應(yīng)非均勻三角面元數(shù)值插值剖分處理，數(shù)值插值剖分處理使得每個(gè)三角面元的尺寸遠(yuǎn)小于探測(cè)雷達(dá)波波長(zhǎng)；步驟C，計(jì)算每個(gè)三角面元的散射場(chǎng)，模擬待探測(cè)極地冰川的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)；步驟D，利用模擬的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)消除雷達(dá)回波信號(hào)S(t)中的冰表面雜波成分；以及步驟E，對(duì)消除冰表面雜波成分的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號(hào)，繪制出雷達(dá)照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。
[0008](三)有益效果[0009]本發(fā)明可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)提取冰底層回波信號(hào)的局限性和不足，對(duì)于大粗糙度和大起伏的任意表面分布的冰覆蓋區(qū)域，應(yīng)用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)冰底層弱信號(hào)提取和雜波抑制處理，繪制出整個(gè)極地冰覆蓋區(qū)域的冰層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)雷達(dá)回波精確模擬，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的依據(jù)，提高數(shù)據(jù)后處理能力，降低雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明所提供的機(jī)載探冰雷達(dá)回波信號(hào)雜波抑制和弱信號(hào)提取的信號(hào)處理流程圖；
[0011]圖2為研究的實(shí)際冰川地形分布圖；
[0012]圖3為數(shù)值插值方法獲取高分辨率的冰川數(shù)字高程圖；
[0013]圖4為機(jī)載探冰雷達(dá)對(duì)冰表面和冰下分層結(jié)構(gòu)探測(cè)的物理模型；
[0014]圖5為模擬實(shí)際機(jī)載雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)雷達(dá)回波觀測(cè)；
[0015]圖6為用雷達(dá)回波模擬、數(shù)字濾波技術(shù)和信號(hào)相干處理進(jìn)行雜波抑制后獲取的冰底層結(jié)構(gòu)成像結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0017]本發(fā)明通過(guò)精確的模擬真實(shí)冰表面雷達(dá)回波信號(hào)，對(duì)于粗糙度大，分布非均勻的冰表面特性，對(duì)雷達(dá)實(shí)際觀測(cè)到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，去除掉雷達(dá)觀測(cè)中冰表面的雷達(dá)回波信號(hào)，只保留冰內(nèi)部分層的回波信號(hào)，達(dá)到提取冰層內(nèi)部回波弱信號(hào)的目的；對(duì)于有少數(shù)山體或大目標(biāo)分布的冰表面，也可以根據(jù)冰表面雷達(dá)回波模擬，估計(jì)數(shù)字濾波器閾值，然后用該閾值的數(shù)字濾波器進(jìn)行冰表面雜波抑制，提取內(nèi)部冰層回波信號(hào)。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了了一種極地冰川厚度探測(cè)方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例極地冰川厚度探測(cè)方法的流程圖。如圖1所示，本實(shí)施例極地冰川厚度探測(cè)方法包括:
[0019]步驟A，應(yīng)用機(jī)載雷達(dá)向待探測(cè)的極地冰川發(fā)射探測(cè)雷達(dá)波，并接收該探測(cè)雷達(dá)波的雷達(dá)回波信號(hào)S (t)；
[0020]1993年美國(guó)宇航局的機(jī)載測(cè)高儀繪制出極地冰表面數(shù)字高程分布，垂直向分辨率可以達(dá)到10cm。本發(fā)明利用該極地冰表面數(shù)字高程分布來(lái)判斷冰表面的粗糙度。對(duì)于冰表面均方根高度小于IOm認(rèn)為粗糙度小的區(qū)域，而均方根高度大于10m，則認(rèn)為粗糙度大的區(qū)域。
[0021]本發(fā)明中，對(duì)于冰表面粗糙度小，起伏平緩的探測(cè)極地冰川區(qū)域，可以采用傳統(tǒng)的SAR技術(shù)和波束合成進(jìn)行雜波處理提取冰底層回波信號(hào)即可。而對(duì)于粗糙度大的冰)11區(qū)域，采用本發(fā)明提出的雜波抑制方法進(jìn)行冰川厚度探測(cè)，執(zhí)行步驟B。[0022]圖2給出了本實(shí)施例研究的實(shí)際Chongce Shan冰川地形分布，冰川位于北緯35.3度，東經(jīng)81度。冰川表面起伏劇烈，最高處的高度有幾百米，低凹處的有-150米，冰表面地形分布不均勻。
[0023]此外，雖然本實(shí)施例中采用機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行極地冰川厚度探測(cè)，其同樣也可以采用星載雷達(dá)，其原理與本實(shí)施例相同，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]步驟B，對(duì)待測(cè)極地冰川的極地冰表面數(shù)字高程分布進(jìn)行自適應(yīng)非均勻三角面元數(shù)值插值剖分處理，數(shù)值插值剖分處理使得每個(gè)三角面元的尺寸遠(yuǎn)小于探測(cè)雷達(dá)波波長(zhǎng)；
[0025]本發(fā)明提出數(shù)值樣條插值實(shí)現(xiàn)水平向高分辨率，達(dá)到合適網(wǎng)格大小的剖分處理要求。理論要求剖分三角面元尺寸不超過(guò)1/6倍的探測(cè)雷達(dá)波波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的雷達(dá)回波模擬。
[0026]圖3是本發(fā)明提供的數(shù)值插值方法實(shí)現(xiàn)冰表面網(wǎng)格剖分的尺寸要求而繪制的其中一部分冰川數(shù)字高程分布。因?yàn)闇y(cè)高儀的分辨率可以達(dá)到10厘米甚至更高分辨率，橫向插值可以有效提高冰表面數(shù)字高程分辨率。
[0027]步驟C,根據(jù)Kirchhoff理論和Stratton’s積分方法計(jì)算每個(gè)三角面元的散射場(chǎng)，模擬待探測(cè)極地冰川的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)；
[0028]圖4是本發(fā)明所給出的機(jī)載雷達(dá)對(duì)冰表面和冰下分層結(jié)構(gòu)探測(cè)的物理模型，其中描繪了由兩層介質(zhì)所構(gòu)成的分層粗糙面結(jié)構(gòu)，其中冰層的介電常數(shù)為S1，損耗角正切為tan S1，巖石層介電常數(shù)為ε2，損耗角正切為tanS2。天線系統(tǒng)(偶極子天線)向冰表面發(fā)射LFM電磁波(圖中標(biāo)記Pt),電磁波在表面發(fā)生反射和透射,后向散射波被天線系統(tǒng)接收(圖中標(biāo)記P1)，透射波穿透冰層在冰底面發(fā)生反射然后又經(jīng)冰表面透射而被天線系統(tǒng)接收(圖中標(biāo)記P2)，相對(duì)時(shí)間延時(shí)為22^/c (c是光速，z為冰層的厚度)。
[0029]設(shè)由偶極子天線產(chǎn)生的入射場(chǎng)為= ，則雷達(dá)接收電場(chǎng)為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，包括: 步驟A，向待測(cè)極地冰川發(fā)射探測(cè)雷達(dá)波，并接收該探測(cè)雷達(dá)波的回波信號(hào)S(t)； 步驟B，對(duì)待測(cè)極地冰川實(shí)際冰表面地形分布進(jìn)行自適應(yīng)非均勻三角面元數(shù)值插值剖分處理，數(shù)值插值剖分處理使得每個(gè)三角面元的尺寸遠(yuǎn)小于探測(cè)雷達(dá)波波長(zhǎng)； 步驟C，計(jì)算每個(gè)三角面元的散射場(chǎng)，模擬待探測(cè)極地冰川的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)；步驟D，利用模擬的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)消除雷達(dá)回波信號(hào)S(t)中的冰表面雜波成分；以及 步驟E，對(duì)消除冰表面雜波成分的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號(hào)，繪制出雷達(dá)照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟D包括: 子步驟D1，根據(jù)模擬的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)，觀察冰表面雜波信號(hào)功率峰值大小，給出冰表面雜波的抑制門(mén)限值，進(jìn)而確定待抑制雜波所處的所有的距離單元對(duì)應(yīng)的距離區(qū)間；通過(guò)SAR成像分析對(duì)應(yīng)距離區(qū)間內(nèi)的干擾目標(biāo)分布，計(jì)算不同干擾目標(biāo)所在的距離單元；子步驟D2，由確定的距離單元從模擬的冰表面雷達(dá)回波信號(hào)通過(guò)加窗方式提取出待抑制雜波所在的各個(gè)距離單元的回波序列； 子步驟D3，用傅里葉級(jí)數(shù)表示待抑制雜波各個(gè)距離單元的回波序列；以及子步驟D4，從雷達(dá)回波信號(hào)S(t)中逐個(gè)濾除掉用傅里葉級(jí)數(shù)表示的待抑制雜波各個(gè)距離單元的回波序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述子步驟Dl中，確定距離區(qū)間內(nèi)不同干擾目標(biāo)所在的對(duì)應(yīng)距離單元包括: 通過(guò)SAR分析得到該距離區(qū)間內(nèi)所有干擾目標(biāo)分布的具體位置； 計(jì)算各個(gè)干擾目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離rn，n=l，2，3…； 計(jì)算各個(gè)干擾目標(biāo)落在對(duì)應(yīng)的距離單元，該距離單元的距離Rn=rn_H，H為雷達(dá)垂直高度，起始時(shí)間為tn，tn=Rn / c，終止時(shí)間為tn+T，其中，c為光速，T為發(fā)射脈沖時(shí)寬；以及對(duì)所述冰表面模擬雷達(dá)回波信號(hào)做傅里葉變換，找出對(duì)應(yīng)距離單元點(diǎn)的頻率fn，其中fn=2Rn / c.K，K是線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的極地冰)11厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述子步驟D2中，對(duì)于第η個(gè)待抑制的距離單元，對(duì)應(yīng)的回波序列為:
S (tj) (tn ≤tj ≤ tn+T) 其中，j=l，2，…(T / At-l)，At為回波采樣間隔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述子步驟D3中，對(duì)于第η個(gè)待抑制的距離單元回波序列進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)表示:
S (tj) =ancos (2 n fntj) +bnsin (2 n fntj) 其中，傅里葉正余弦系數(shù)為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的極地冰)11厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述子步驟D4中，對(duì)于雷達(dá)回波信號(hào)S(t)依次對(duì)每個(gè)距離單元執(zhí)行下式，當(dāng)對(duì)所有的距離單元都執(zhí)行完畢之后，完成雷達(dá)回波信號(hào)S(t)中的冰表面雜波成分抑制； 其中，對(duì)于第η個(gè)待抑制的距離單元，進(jìn)行從雷達(dá)回波中將其濾除:

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟D包括: 根據(jù)模擬的冰表面雷達(dá)回波由雷達(dá)實(shí)際觀測(cè)到的信號(hào)分離出冰表面雜波和冰底層回波，只保留冰底層回波信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟E包括: 根據(jù)冰底層天底點(diǎn)回波和冰表面天底點(diǎn)回波相干的回波特性，以及非天底點(diǎn)回波的非相干特性，對(duì)冰表面雜波成分抑制后的雷達(dá)回波信號(hào)做相干疊加使得天底點(diǎn)回波增強(qiáng)，非天底點(diǎn)回波減小，從而提取極地冰內(nèi)部分層回波弱信號(hào)，繪制出雷達(dá)照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟B中，所述三角面元尺寸不超過(guò)1/6倍的探測(cè)雷達(dá)波波長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的極地冰川厚度探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟A中，通過(guò)星載雷達(dá)或機(jī)載雷達(dá)向待測(cè)極地冰川發(fā)射探測(cè)雷達(dá)波，并接收該探測(cè)雷達(dá)波的回波信號(hào)S (t)。
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK103913733SQ201410147326
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】張曉娟, 吳超, 王友成, 王辰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所