极地浅层高分辨率冰雷达成像与数据处理方法研究

The shallow ice-sounding radar is one of the most effective techniques for measurements of ice sheets, annual snow accumulation rate and polar sea ice thickness. We have maintained and operated the first shallow ice-sounding radar system in China. Imaging and signal processing are the essential technical ways to promote practical application. In order to improve the resolution of the processing result, the first step is nonlinearity correction. We develop the deconvolution algorithm which is suitable for the multiple media to realize this need. Then the focused Synthetic Aperture Radar (SAR) processing technology which is suitable for the multiple media and does not follow the stop-and-go approximation is used. We develop the focused SAR imaging algorithm based on compressive sensing and applicable motion compensation algorithm. In addition, we develop applicable real-time focused SAR imaging algorithm and corresponding realizing module based on DSP to satisfy the demand of real-time sea ice thickness parameter acquisition during the Snow Dragon sailing in close to the sea ice areas of Antarctica. The scientific orientation of the shallow ice-sounding radar survey is to estimate annual snow accumulation rate and so on. Therefore, we come up with an automated multilayer picking algorithm which cooperates multilayer picking with correction to realize the efficient extraction of Internal Reflecting Horizons (IRHs) from shallow ice-sounding radar echograms. The extraction results could provide valuable insight for the following scientific research.

极地浅层高分辨率冰雷达是开展极地冰盖研究，进行冰雪积累率估计以及极地海冰厚度测量等最为有效的手段之一。课题组已在国内率先完成了一套极地浅层高分辨率冰雷达系统，成像与数据处理是进行实际测量时不可缺少的技术手段。为提高处理结果分辨率，需首先进行信号非线性误差校正，为此课题组提出多层媒质适用的反卷积处理算法来完成；之后采用适应多层媒质成像几何模型且不遵循“停-走”假设原则的合成孔径技术进行成像处理，提出基于压缩感知理论的聚焦合成孔径成像算法和适用的运动补偿算法。同时，提出实时聚焦合成孔径成像算法并基于DSP设计相应的工程化处理模块来满足雪龙号在接近南极大陆海冰地区航行时实时获取海冰厚度参数的需求。浅层高分辨率冰雷达探测的科学目标是开展冰雪积累率估计等研究工作，为此提出自动的浅层冰雷达层位提取方法，将层位提取和校正相结合实现冰川内部反射层自动准确提取，为后续科研人员的研究提供有价值的参考。

极地浅层高分辨率冰雷达是开展极地冰盖研究，进行冰雪积累率估计以及极地海冰厚度测量等最为有效的手段之一。本课题基于我国极地科学考察对于南极冰盖大范围、高精度的测量需求，对获取的雷达数据进行成像和数据处理方法研究，主要包括：距离向分辨率保持算法研究、方位向分辨率提升算法研究、运动误差补偿算法研究以及目标特征参量提取技术研究。课题完成了极地浅层高分辨率冰雷达优化系统研制，该系统已经成功应用于中国第29至35次南极科学考察；完成了极地浅层高分辨率冰雷达高效距离向反卷积处理算法，编制了相应处理软件完成距离向分辨率保持；完成了两种极地浅层高分辨率冰雷达聚焦SAR成像算法，进行了算法并行处理设计，研制了基于商用DSP芯片TMS320C6678的实时成像工程化处理模块完成方位向分辨率提升；完成了窄波束运动补偿算法和基于非均匀快速傅立叶变换的运动补偿算法，编制了相应处理软件完成运动误差补偿；完成了极地浅层高分辨率冰雷达探测剖面图的噪声抑制方法和自动冰川层位提取技术，编制了相应处理软件完成目标特征参量提取。使用所设计的极地浅层高分辨率冰雷达适用的成像与数据处理方法，完成了我国第29至35次南极科考获取的冰雷达探测数据处理及分析，获取了中国南极中山站至昆仑站断面、格罗夫山区域、中国南极中山站新机场附近以及特定测量点LH90385附近区域大量的冰盖剖面图结果，对应的冰盖表面和基岩界面准确提取结果，冰盖厚度分析结果，冰盖表面及基岩界面高程计算结果，基岩界面粗糙度分析结果，以及基岩界面反射率计算结果。在课题实施过程中，发表多篇相关研究成果并培养多名青年研究人员。所获得的研究成果，对于我国南极科学考察获取的大量冰盖浅部探测数据分析具有重要意义，能够为南极新机场的选址提供重要支撑。技术成果可以应用于国家实施的火星探测计划中。