CN103913733B - 极地冰川厚度探测方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

极地冰川厚度探测方法
技术领域
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
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川的冰层分布成像,更加有利于观测极地冰层的变化。
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
(一)要解决的技术问题
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川厚度探测的精度。
(二)技术方案
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。
(三)有益效果
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。
附图说明
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;
图2为研究的实际冰川地形分布图;
图3为数值插值方法获取高分辨率的冰川数字高程图;
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;
图5为模拟实际机载雷达探测系统雷达回波观测;
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
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。
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。
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:
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);
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10m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。
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川区域,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。
图2给出了本实施例研究的实际ChongceShan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。
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。
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;
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。
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。
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;
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ε1,损耗角正切为tanδ1,岩石层介电常数为ε2,损耗角正切为tanδ2。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(c是光速,z为冰层的厚度)。
设由偶极子天线产生的入射场为则雷达接收电场为:
E ( r ) = - ∫ S ik k ^ sc × ( n × E r ) GdS 0 + ∫ S ik k ^ sc × ( k ^ sc × ( n × H r ) ) GdS 0 - - - ( 1 )
其中Er表示冰表面和冰底面镜像散射电场,n是冰表面法向矢量,S是雷达照射区域,G是空气中的格林函数,是从冰表面指向雷达观测点的波传输矢量。考虑到电磁波在冰层底面发生散射只在镜像方向最强,而在其他方向比较弱,可以根据射线追踪、几何光学方法进行冰内部多层分层面的雷达回波模拟。
为了得到大的雷达发射功率和距离分辨率,采用LFM脉冲信号作为激励源信号,计算出每个散射三角面元波达角处散射点在接收机处的散射场分量,对同一距离单元(雷达探测仪到表面三角面元的距离)和延时的散射回波信号累加求和,则雷达实际接收冰表面杂波为
E ‾ ( t ) = Σ n = 1 N E ‾ ( r n ) T r ( t , τ n ) - - - ( 2 )
其中Tr是雷达发射的LFM信号,rn为距离单元,时延为τn=2rn/c。
图5是用本发明提供的雷达回波数值仿真方法对实际冰川表面雷达回波进行精确模拟。此处的冰底层为蒙特卡洛数值方法数值模拟实际冰床的地形起伏分布,冰层平均厚度为100米。天线发射的电磁波中心频率f0=150MHz,带宽B=30MHz,持续时间为T=1.0×10-5s,偶极子天线长度为L=1m,天线发射功率P=400W。选取雷达高度H=5km,冰表层介质复介电常数ε1=3.17+0.003i,次表层介质复介电常数ε2=8.0+0.5i。从图中可以看出冰表面的杂波湮没了冰底层回波,并且杂波分布在整个雷达观测区间,传统的杂波抑制技术处理效果有限。本发明的数字滤波技术和冰底层分离方法将会有效提高信杂比和信噪比,最大程度获取冰底层微弱的回波信号。
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;
为了实现对冰表面杂波成分的消除,以下提供两种方法:
在第一种方法中,对于冰表面干扰目标多、粗糙度很大、起伏变化剧烈、有坑洼和山体的地形分布,可以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,最大程度提高雷达探测具有大起伏、大粗糙度冰表面覆盖的冰底层回波信号的能力。
在第二种方法中,对于冰表面分布少的干扰目标,可以采用数字滤波技术对表面干扰目标所在距离单元实际雷达回波信号进行抑制处理。根据模拟的冰表面雷达回波信号,估计非天底点冰表面杂波的抑制门限值,设计数字滤波器对实际观测到的雷达回波数据进行冰表面杂波抑制处理;
该步骤D又可以包括以下步骤:
子步骤D1,根据模拟的冰表面雷达回波信号,观察非天底点杂波幅度峰值大小,其中非天底点杂波是在距离为零点之外(参考图5,距离零点处是天底点回波,零点之外为非天底点杂波,对应的距离都是相对雷达高度的),确定杂波抑制滤波器的门限值。给定的门限值必须要低于待滤除杂波的幅度峰值,这样才能使雷达回波中幅度高于给定门限的杂波得到滤除。根据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,即为图5中杂波对应的横坐标距离值。该距离区间内的所有距离单元中的干扰目标带来的杂波信号都会得到抑制。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Rn
其中,具体不同的干扰目标所处的对应距离单元需要通过SAR分析分别获得,具体做法是:通过SAR成像分析得到干扰目标所处的具体位置;计算干扰目标到雷达天线的距离rn,n=1,2,3…;进而计算干扰目标落在对应的距离单元Rn,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;对冰表面模拟雷达回波信号做傅里叶变换,得到距离单元对应的频率fn
对模拟的冰表面回波信号进行傅里叶变换,得到各个距离单元的频率信息,而该距离单元Rn对应的频率为fn,fn=2Rn/c·K,K是线性调频信号调频率。
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;
在一个距离单元里,可以通过分析频域中的相位信息获得时间的变化:
1 2 π ∫ - ∞ ∞ e - iωt f ( t - τ ) dt = e iωt ωF ( ω ) - - - ( 3 )
其中:
F ( ω ) = 1 2 π ∫ - ∞ ∞ e - iωt f ( t ) dt - - - ( 4 )
因而该滤波器设计是基于离散傅里叶级数关系来表示时间对应的相位信息。
基于上述理论,该子步骤D2具体包括:通过SAR分析确定每一个距离单元对应的回波序列,其中,对于第n个待抑制的距离单元,对应的回波序列为:
S(tj)(tn≤tj≤tn+T)(5)其中j=1,2,…(T/Δt-1),Δt为回波采样间隔,T为发射脉冲时宽。
需要说明的是,对于实际雷达回波信号,同样可以直接取出待滤除杂波所处的距离单元(时间单元)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的幅度和相位信息,其中,对于第n个待抑制的距离单元:
S(tj)=ancos(2πfntj)+bnsin(2πfntj)(6)
其中,傅里叶正余弦系数为
a n = 1 2 π Σ i = n n + N ( T ) - 1 S ( t i ) cos { 2 π f n ( i - n ) Δt } Δt b n = 1 2 π Σ i = n n + N ( T ) - 1 S ( t i ) sin { 2 π f n ( i - n ) Δt } Δt - - - ( 7 )
其中,N(T)为一个发射脉宽T中采样的点数。
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。
在具体执行该子步骤D4时,对于雷达回波信号S(t)依次对每个距离单元执行公式8。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,对于第n个待抑制的距离单元:
S ′ ′ ( t ) = S ′ ( t ) ( 0 ≤ t ≤ t n , t n + T ≤ t ) S ′ ( t ) - { a n cos ( 2 πf n t ) + b n sin ( 2 πf n t ) } ( t ≤ t ≤ t n + T ) - - - ( 8 )
其中,S′(t)为进行了上次杂波抑制处理后的雷达回波数据,S′′(t)为对第n个待抑制距离单元进行杂波抑制处理后雷达回波信号,t表示雷达回波观测时间。
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。
因为冰表面和冰底层天底点回波是相干的,表面非天底点回波是非相干的,所以对步骤D得到的经过冰表面杂波抑制处理后的雷达回波信号继续做相干叠加处理,使得天底点回波得到增强,非天底点杂波信号得到抑制,进一步提高雷达回波信杂比和信噪比,最大提高雷达对冰底层弱回波信号的探测能力。最后实现从实际探冰雷达回波信号中成功提取被表面杂波和噪声湮没的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,该图可以更直观的得到极地冰层不同区域的冰厚分布特点。
图6中可以看出对于图5中冰底层回波信号被湮没的情况下,利用本发明提出的杂波抑制处理技术提高雷达数据的信杂比和信噪比,得到了冰底层回波信号,获取到了冰底层的起伏分布结构。相较于传统雷达信号处理技术利用多天线多航迹进行SAR处理和阵列波束合成处理方法带来的雷达系统的复杂性,本发明提出的雷达数据处理方法将原有系统的硬件处理任务转移到数据后处理中,对硬件的依赖性减弱,降低系统成本和复杂性,特别对于星载SAR有显著性优势;同时本发明的数值仿真方法可以计算电磁波在冰层内部传播和衰减特性,计算整个链路的传播损耗,判断几千米冰底层的反射回波是否能被雷达系统所接收,对于雷达参数设计和雷达系统优化提供重要依据。
本发明提出的方法可以适用于任意地形分布的雷达回波信号模拟和杂波抑制。
至此,已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述,本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
综上所述,本发明提供的数值仿真方法可以更好地理解电磁波在冰层内部的传输和衰减,可以有根据的灵活运用相关雷达信号处理技术进行杂波抑制,以最大能力提取冰底层弱回波信号,提高信号处理效率和弱信号提取的精确性,成功绘制出整个极地冰覆盖区域的冰层厚度和内部结构信息。同时该雷达回波模拟方法对于雷达系统设计和信号处理技术有很大帮助。发明中的雷达回波仿真软件是基于MPI并行、多线程开发的,适合运行在并行服务器和节点机平台上,极大地提高计算效率。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

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;
其中,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。
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,所述子步骤D1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=1,2,3…;
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。
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D2中,对于第n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=1,2,…(T/Δt-1),Δt为回波采样间隔。
4.根据权利要求3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n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(2πfntj)+bnsin(2πfntj)
其中,傅里叶正余弦系数为
a n = 1 2 π Σ i = n n + N ( T ) - 1 S ( t i ) cos { 2 πf n ( i - n ) Δ t } Δ t b n = 1 2 π Σ i = n n + N ( T ) - 1 S ( t i ) sin { 2 πf n ( i - n ) Δ t } Δ t
其中,N(T)为一个发射脉宽T中采样的点数。
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n个待抑制的距离单元,进行从雷达回波中将其滤除:
S ′ ′ ( t ) = S ′ ( t ) ( 0 ≤ t ≤ t n , t n + T ≤ t ) S ′ ( t ) - { a n cos ( 2 πf n t ) + b n s i n ( 2 πf n t ) } ( t n ≤ t ≤ t n + T )
其中,S'(t)为进行了上次杂波抑制处理后的雷达回波数据,S”(t)为对第n个待抑制距离单元进行杂波抑制处理后雷达回波信号,t表示雷达回波观测时间。
6.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。
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。
8.根据权利要求1至7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。
9.根据权利要求1至7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)。
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