浅层探冰雷达的数据采集与处理

摘要

本课题是在国家重点基础研究发展计划（973计划）“极地地区气候变化研究”（编号：2013CBA01804）和“南北极环境综合考察和评估”（编号：CHINARE2016-02-02）专项资助下，由中国极地研究中心、中国科学院电子学研究所、太原理工大学三方合作，对中山站至昆仑站进行冰盖浅层结构探测的应用研究。
　　南极冰盖是地球上最大的冷源,面积为1340×103km2，总体积2867.2×104km3，同样南极冰盖为世界上最大的冰盖，冰盖平均厚度为2450m。南极冰盖在至今约500万年前就达到如今的规模，因此其内部记录了大量反映地球古环境的微量元素；其冰盖结构的形成也反映了古积累率的演变情况；是研究推演地球古气候和未来的变化情况十分重要的科学根据，因此分析南极冰盖内部结构、探测南极冰盖的研究意义重大。
　　目前，对南极冰盖内部结构的探测主要依赖两种：第一种是深冰芯的钻探，通过钻取的深冰芯数据，对冰盖内部结构进行分析；这种方法虽然能对钻取的冰体进行最透彻的分析，但是存在两个缺陷，一方面这种取点式的探测手段难以对广袤的南极冰盖进行大范围探测；另一方面冰芯的钻探位置选取要求高，冰下具有平坦而且光滑的等时层是选择冰芯钻孔位置的必要条件，这样才能保证冰芯具有完好的深度—年代气候记录序列。第二种方法是使用深层冰雷达探测，我国深层冰雷达探测始于第21次南极内陆考察（CHINARE21)。深层冰雷达采用多频多极化或单频多极化的电磁波探测手段，用较低的频率（CHINARE21次采用60MHz和179MHz和中心频率，CHINARE24采用179MHz的中心频率）探测冰厚和冰盖内部结构。虽然深层冰雷达探测深度非常可观（可达到5000米以上），但其较低的发射频率决定了其较低的分辨率；更严重的是深层冰雷达发射功率高，为了防止接收端饱和，深层冰雷达在硬件设计中滤去了前500米的数据。但是冰下浅层（冰下大致700米以内）的冰体密度不同是由不同时期的积雪压实造成的，冰体密度的不同造成的冰体介电特性差异产生的雷达反射信号呈现不同的层面（下称等时层）。将冰芯数据与等时层分布结合，可克服冰芯定年“点状”的缺陷，对相应的等时层层面定年进行大范围物质积累率分析，对南极物质积累率的分析具有十分重要的意义。
　　本文首先对所采用的调频连续波（FMCW）浅层探冰雷达进行了介绍；在出发前进行了闭环和外场实验；依托中国第32次南极考察内陆队，使用车载探冰雷达完整获取了中山站至昆仑站全程的浅层冰盖数据；对数据进行了MATLAB阶段的数据预处理，主要包括废道的剔除、与GPS坐标进行数据对应、对重复探测区域的剔除；对数据进行了FFT转换、高通滤波、背景滤波、叠加去噪等数据处理手段；进行了基于曲波变换的图像处理。
　　鉴于 MATLAB在雷达数据处理上的缺陷以及高分辨的要求，在MATLAB处理阶段后，进行格式转换并导入雷达专业软件Reflexw进行精细化处理。
　　考虑到中山站到昆仑站的高程跨度达4000m，地形的变化不可忽略，因此在Reflexw阶段进行了地形校正处理。鉴于地形校正后噪点增加，对数据进行了多次平滑滤波、二次背景滤波等多种处理手段。最后进行了等时层提取和数据连接；在对应冰芯点处根据冰芯数据对相应等时层进行了定年份处理。
　　研究结果成功揭示了东南极冰盖中山站至昆仑站几个典型区域的冰下等时层分布。与冰芯数据结合，对冰芯记录的火山喷发年代做了相应的等时层对应，为后续基于等时层进行东南极地区大范围的物质积累率计算提供了极其重要的数据支撑。

目录

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2地面空间的物质平衡研究方法

1.3 国内外的研究动态

1.4 课题研究的主要意义和工作

第二章 浅层探冰雷达的工作原理

2.1雷达原理

2.2系统组成与工作原理

2.3系统分辨率的测定

2.4 FMCW浅层探冰雷达的技术指标

2.5 本章小结

第三章 雷达验证实验

3.1 内场闭环实验

3.2外场静止实验

3.3 外场运动探地实验

3.4本章小结

第四章 数据的现场采集

4.1 硬件安装

4.2 数据采集流程

4.3 事故发生的处理

4.4 冰芯点处定点对应

4.5 本章小结

第五章 数据和图像处理

5.1 数据的预处理

5.2 叠加去噪

5.3 基于曲波变换的图像处理

5.4 数据转换

5.5 处理软件的开发与集成

5.6 等时层的获取

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

附录 等时层大范围绘制

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的成果