极地高分辨率冰厚探测雷达成像与数据处理方法研究

Imaging and data processing is the essential technique in the actual measurement application of High-resolution Glacier Penetrating Radar. The data processing methods based on the Synthetic Aperture Technique is adopted in order to enhance the resolution of imaging. Our system is a nadir-looking radar,and elctromagnetic wave in our system has the refraction effect and the propagation velocity changes in different medium interface. We develop the applicable imaging algorithm to settle the defects of the processing method at hand. Furtheromre, we also need to take motion compensation algorithm into consideration for enhancing the resolution. The present narrow beam motion compensation algorithm ignores the azimuth spatial varied of the motion error. The spatial varied has effect on the imaging quality when the antenna azimuth beamwidth is big. Hence, we develop the wide-beam motion compensation algorithm. The High-resolution Glacier Penetrating Radar system of polar ice sheets is able to penetrate thousands of meters. This characteristic leads to the cover of weak echo from the deeper target by system noise. Hence, the means to noise suppression is the most important factor of the system performance. We come up with the algorithm called the combined Robust PCA Approach and Total Variation algorithm, also with the total variation improved split Bregman method to sole the problem of noise suppression. Based on these algorithms, we hope to finish the algorithm realizing modules to achieve the application to huge data volume with high efficient and robust.

成像与数据处理是高分辨率冰厚探测雷达进行实际测量应用必不可少的技术手段。为提高雷达成像分辨率，需采用合成孔径技术进行信号处理。冰厚探测雷达为正下视工作模式，且涉及多层媒质中的目标成像处理，针对目前成像方法存在的运算效率低等缺陷，课题组提出了高效率的成像算法。为进一步提高分辨率，需要对雷达平台的运动误差进行补偿，而目前使用的窄波束运动补偿算法忽略了运动误差方位向的空变性，当天线方位向波束较宽时，该空变性对成像质量的影响不能忽略，为此项目组提出了宽波束运动补偿算法。冰厚探测要求雷达的穿透深度为数千米，这样系统噪声就会掩没冰下深处目标的微弱回波信号，因而噪声抑制方法的有效性决定了整个系统的表现。课组提出了基于鲁棒主分量分解-总变分原理和基于总变分split Bregman方法的噪声抑制算法。在此基础上，完成满足大数据量、高效稳健的工程化算法模块。

极地高分辨率冰雷达具有冰下穿透能力强、冰层分辨率高以及测量灵活高效等优点，已成为冰盖厚度测量和冰下地形调查最为有效的手段之一。本课题开展高分辨率冰雷达成像与数据处理方法研究，为南极科考数据的处理分析提供技术积累和支持。. 在冰雷达的成像算法方面，本课题给出了极地高分辨率冰雷达成像中的雷达回波模型，提出了基于ISFT的距离徙动算法；针对在成像过程中去除相干斑噪声这一需求，提出基于Curvelet变换的距离徙动算法。在运动补偿算法方面，对于高度向运动误差，提出了窄波束运动补偿算法和三种分别为扩展的频域逐块补偿算法、扩展的子孔径运动补偿算法和扩展的频域分割补偿算法的宽波束运动补偿算法；对于前进方向运动误差，研究了基于非均匀快速傅立叶变换NUFFT的运动补偿算法。在噪声抑制方面，本课题提出了基于RPCA-TV和分部式噪声抑制方法等图像处理方法，来进行冰雷达图像降噪。针对雷达数据的稀疏特性，提出了基于极地探冰雷达数据低秩性和稀疏性的噪声抑制方法。. 课题组使用研究的成像和数据处理方法完成了我国多次南极科学考察冰雷达数据的处理分析工作。在对第29次科考数据处理分析过程中，获得了冰下大于3500米深的地形数据，刷新了我国自主研制的冰雷达系统的最深探测记录，得到了相关领域专家的高度评价。. 课题组申请发明专利3项，其中已经获得授权1项，发表论文8篇。