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極地冰川厚度探測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種極地冰川厚度探測方法。該極地冰川厚度探測方法包括：步驟A，接收該探測雷達波的回波信號S(t)；步驟B，對待測極地冰川實際冰表面地形分布進行自適應(yīng)非均勻三角面元數(shù)值插值剖分處理；步驟C，計算每個三角面元的散射場，模擬待探測極地冰川的冰表面雷達回波信號；步驟D，利用模擬的冰表面雷達回波信號消除雷達回波信號S(t)中的冰表面雜波成分；以及步驟E，對消除冰表面雜波成分的雷達回波信號進行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號，繪制出雷達照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。本發(fā)明可以實現(xiàn)冰底層弱信號提取和雜波抑制處理，繪制出整個極地冰覆蓋區(qū)域的冰層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
【專利說明】極地冰川厚度探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種應(yīng)用雷達技術(shù)的極地冰川厚度探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]極地冰帽和冰川分布變化對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人類的生活和居住遷徙提供主要研究依據(jù)。上個世紀六、七十年代各個國家就開始對極地冰帽的分布進行相關(guān)科學(xué)實驗研究，中國已經(jīng)進行了 29次南極科考實驗，并取得了有價值的極地冰層分布雷達數(shù)據(jù)。目前各國主要是用工作在VHF / UHF頻段的遙感雷達設(shè)備進行冰層分布探測，包括車載雷達、機載雷達、衛(wèi)星雷達進行冰層厚度探測。車載雷達雖然探測冰厚能力強，成本低，系統(tǒng)簡單，但是測量范圍有限；機載雷達和星載雷達系統(tǒng)復(fù)雜，但是測量范圍大，可以實現(xiàn)整個極地冰帽和冰)11的冰層分布成像，更加有利于觀測極地冰層的變化。
[0003]南極冰的厚度可以達到3?4千米的深度，內(nèi)部冰層回波將被淹沒在表面雜波或噪聲當中，給雷達探測冰厚帶來難度。傳統(tǒng)的雷達信號處理技術(shù)是用合成孔徑(SAR)技術(shù)進行方位向雜波抑制，波束合成方法進行垂直方位向的雜波抑制處理，可以有效的提取出內(nèi)部冰層回波信號和分層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的信號處理技術(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，目前國際上用傳統(tǒng)技術(shù)處理冰雷達回波數(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)的雷達回波處理技術(shù)對冰厚的探測處理能力將會有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種極地冰川厚度探測方法，以提高大起伏、大粗糙度情況下極地冰)11厚度探測的精度。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種極地冰川厚度探測方法。該極地冰川厚度探測方法包括:步驟A，向待測極地冰川發(fā)射探測雷達波，并接收該探測雷達波的回波信號S(t);步驟B，對待測極地冰川實際冰表面地形分布進行自適應(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三角面元的尺寸遠小于探測雷達波波長；步驟C，計算每個三角面元的散射場，模擬待探測極地冰川的冰表面雷達回波信號；步驟D，利用模擬的冰表面雷達回波信號消除雷達回波信號S(t)中的冰表面雜波成分；以及步驟E，對消除冰表面雜波成分的雷達回波信號進行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號，繪制出雷達照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。
[0008](三)有益效果[0009]本發(fā)明可以有效彌補傳統(tǒng)信號處理技術(shù)提取冰底層回波信號的局限性和不足，對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)明可以實現(xiàn)冰底層弱信號提取和雜波抑制處理，繪制出整個極地冰覆蓋區(qū)域的冰層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。通過雷達回波精確模擬，對雷達系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供重要的依據(jù)，提高數(shù)據(jù)后處理能力，降低雷達系統(tǒng)復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明所提供的機載探冰雷達回波信號雜波抑制和弱信號提取的信號處理流程圖；
[0011]圖2為研究的實際冰川地形分布圖；
[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為機載探冰雷達對冰表面和冰下分層結(jié)構(gòu)探測的物理模型；
[0014]圖5為模擬實際機載雷達探測系統(tǒng)雷達回波觀測；
[0015]圖6為用雷達回波模擬、數(shù)字濾波技術(shù)和信號相干處理進行雜波抑制后獲取的冰底層結(jié)構(gòu)成像結(jié)果。
【具體實施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(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)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0017]本發(fā)明通過精確的模擬真實冰表面雷達回波信號，對于粗糙度大，分布非均勻的冰表面特性，對雷達實際觀測到的雷達回波數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，去除掉雷達觀測中冰表面的雷達回波信號，只保留冰內(nèi)部分層的回波信號，達到提取冰層內(nèi)部回波弱信號的目的；對于有少數(shù)山體或大目標分布的冰表面，也可以根據(jù)冰表面雷達回波模擬，估計數(shù)字濾波器閾值，然后用該閾值的數(shù)字濾波器進行冰表面雜波抑制，提取內(nèi)部冰層回波信號。
[0018]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了了一種極地冰川厚度探測方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例極地冰川厚度探測方法的流程圖。如圖1所示，本實施例極地冰川厚度探測方法包括:
[0019]步驟A，應(yīng)用機載雷達向待探測的極地冰川發(fā)射探測雷達波，并接收該探測雷達波的雷達回波信號S (t)；
[0020]1993年美國宇航局的機載測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到10cm。本發(fā)明利用該極地冰表面數(shù)字高程分布來判斷冰表面的粗糙度。對于冰表面均方根高度小于IOm認為粗糙度小的區(qū)域，而均方根高度大于10m，則認為粗糙度大的區(qū)域。
[0021]本發(fā)明中，對于冰表面粗糙度小，起伏平緩的探測極地冰川區(qū)域，可以采用傳統(tǒng)的SAR技術(shù)和波束合成進行雜波處理提取冰底層回波信號即可。而對于粗糙度大的冰)11區(qū)域，采用本發(fā)明提出的雜波抑制方法進行冰川厚度探測，執(zhí)行步驟B。[0022]圖2給出了本實施例研究的實際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，雖然本實施例中采用機載雷達進行極地冰川厚度探測，其同樣也可以采用星載雷達，其原理與本實施例相同，此處不再詳細說明。
[0024]步驟B，對待測極地冰川的極地冰表面數(shù)字高程分布進行自適應(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三角面元的尺寸遠小于探測雷達波波長；
[0025]本發(fā)明提出數(shù)值樣條插值實現(xiàn)水平向高分辨率，達到合適網(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1/6倍的探測雷達波波長，可以實現(xiàn)更精確的雷達回波模擬。
[0026]圖3是本發(fā)明提供的數(shù)值插值方法實現(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。因為測高儀的分辨率可以達到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積分方法計算每個三角面元的散射場，模擬待探測極地冰川的冰表面雷達回波信號；
[0028]圖4是本發(fā)明所給出的機載雷達對冰表面和冰下分層結(jié)構(gòu)探測的物理模型，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(圖中標記P2)，相對時間延時為22^/c (c是光速，z為冰層的厚度)。
[0029]設(shè)由偶極子天線產(chǎn)生的入射場為= ，則雷達接收電場為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種極地冰川厚度探測方法，其特征在于，包括: 步驟A，向待測極地冰川發(fā)射探測雷達波，并接收該探測雷達波的回波信號S(t)； 步驟B，對待測極地冰川實際冰表面地形分布進行自適應(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三角面元的尺寸遠小于探測雷達波波長； 步驟C，計算每個三角面元的散射場，模擬待探測極地冰川的冰表面雷達回波信號；步驟D，利用模擬的冰表面雷達回波信號消除雷達回波信號S(t)中的冰表面雜波成分；以及 步驟E，對消除冰表面雜波成分的雷達回波信號進行相干處理，提取極地冰川內(nèi)部分層回波信號，繪制出雷達照射區(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)模擬的冰表面雷達回波信號，觀察冰表面雜波信號功率峰值大小，給出冰表面雜波的抑制門限值，進而確定待抑制雜波所處的所有的距離單元對應(yīng)的距離區(qū)間；通過SAR成像分析對應(yīng)距離區(qū)間內(nèi)的干擾目標分布，計算不同干擾目標所在的距離單元；子步驟D2，由確定的距離單元從模擬的冰表面雷達回波信號通過加窗方式提取出待抑制雜波所在的各個距離單元的回波序列； 子步驟D3，用傅里葉級數(shù)表示待抑制雜波各個距離單元的回波序列；以及子步驟D4，從雷達回波信號S(t)中逐個濾除掉用傅里葉級數(shù)表示的待抑制雜波各個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)不同干擾目標所在的對應(yīng)距離單元包括: 通過SAR分析得到該距離區(qū)間內(nèi)所有干擾目標分布的具體位置； 計算各個干擾目標到雷達天線的距離rn，n=l，2，3…； 計算各個干擾目標落在對應(yīng)的距離單元，該距離單元的距離Rn=rn_H，H為雷達垂直高度，起始時間為tn，tn=Rn / c，終止時間為tn+T，其中，c為光速，T為發(fā)射脈沖時寬；以及對所述冰表面模擬雷達回波信號做傅里葉變換，找出對應(yīng)距離單元點的頻率fn，其中fn=2Rn / c.K，K是線性調(diào)頻信號調(diào)頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的極地冰)11厚度探測方法，其特征在于，所述子步驟D2中，對于第η個待抑制的距離單元，對應(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方法，其特征在于，所述子步驟D3中，對于第η個待抑制的距離單元回波序列進行傅里葉級數(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厚度探測方法，其特征在于，所述子步驟D4中，對于雷達回波信號S(t)依次對每個距離單元執(zhí)行下式，當對所有的距離單元都執(zhí)行完畢之后，完成雷達回波信號S(t)中的冰表面雜波成分抑制； 其中，對于第η個待抑制的距離單元，進行從雷達回波中將其濾除:

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)模擬的冰表面雷達回波由雷達實際觀測到的信號分離出冰表面雜波和冰底層回波，只保留冰底層回波信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地冰川厚度探測方法，其特征在于，所述步驟E包括: 根據(jù)冰底層天底點回波和冰表面天底點回波相干的回波特性，以及非天底點回波的非相干特性，對冰表面雜波成分抑制后的雷達回波信號做相干疊加使得天底點回波增強，非天底點回波減小，從而提取極地冰內(nèi)部分層回波弱信號，繪制出雷達照射區(qū)域極地冰川厚度分布圖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的極地冰川厚度探測方法，其特征在于，所述步驟B中，所述三角面元尺寸不超過1/6倍的探測雷達波波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的極地冰川厚度探測方法，其特征在于，所述步驟A中，通過星載雷達或機載雷達向待測極地冰川發(fā)射探測雷達波，并接收該探測雷達波的回波信號S (t)。
【文檔編號】G01S7/41GK103913733SQ201410147326
【公開日】2014年7月9日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所