一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法

本发明涉及冰雷达数据处理领域，具体涉及到一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法。

背景技术：

1、冰川是地球环境系统的重要组成部分，反映和影响着全球气候与海平面的变化。其中极地区域的冰盖冰架对全球气候变化最为敏感，响应最为剧烈，是气候变化的“指示器”与“放大器”。以南极地区为例，其冰储量约占全球冰川总量的90％，占全球淡水资源的70％左右。如果南极冰盖全部融化，其对海平面上升的贡献可以达到近58m。

2、对冰川的分析主要通过冰川立体层析技术开展由于较强的穿透性和高精度测距能力，冰雷达成为冰川立体层析的核心技术。冰雷达(ice-penetratingradar)，又称无线电回波探测雷达(radio-echosounder)或冰雷达(icesoundingradar)，是基于电磁波理论，通过雷达回波研究冰雪介质特征的一种地球物理探测系统。电磁波在冰盖内部传播呈现弱衰减性以及冰盖良好的成层性和匀质性是冰雷达能够探测极地冰盖的理论基础。

3、在基于频域的聚焦冰雷达成像算法方面，最早实现的sar方法是legarsky等人提出的匹配滤波方法，即将参考点目标的回波响应与来自格陵兰冰盖的雷达数据进行相关处理，该方法最近被应用于处理来自西南极的冰盖数据。alley等人提出f-k冰雷达成像处理算法，这是基于反演雷达回波到其在冰中的目标源的算法，该方法也已应用于处理来自格陵兰和南极的数据。

4、在基于时域的聚焦冰雷达成像算法方面，kusk和dall将时域后向投影方法应用于冰雷达数据。该方法可以处理非均匀采样数据，但计算时间较长。wu等人采用时域多子孔径后向投影算法进行成像，提供了冰盖表面和基岩的精确条带成像。

5、但是机载冰雷达通常会面临探测区域冰面起伏较大的问题，现有的冰雷达成像算法对于机载冰雷达所面临的这个问题没有进行充分的考虑。

6、为了解决机载冰雷达在高曲率冰面环境下所采集的数据的成像质量，提出一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法，本方法通过校正在高曲率冰面环境下冰雷达成像方法的距离参数，改善成像质量。从而使对冰川分析有更准确的结果。

技术实现思路

1、为了克服现有的机载冰雷达成像方法中存在的冰面曲率所造成的误差问题，本发明提出一种基于冰面曲率的冰雷达数据成像方法，该方法的优势在于：采用区域内的冰面曲率数据为参考来校正区域内冰面曲率所引起的传播距离误差，对高曲率冰面环境的冰雷达数据成像质量有所提升。方法的总流程图如图1所示，主要分为六个模块，分别是平坦冰面传播距离生成模块、高曲率冰面传播距离生成模块、传播距离差生成模块、二次相位误差计算模块、子孔径长度计算模块和冰雷达数据成像模块。

2、平坦冰面传播距离生成模块：由于本方法中需要使用平坦冰面模型与高曲率冰面模型的距离差进行子孔径长度的计算，因此，需要由输入的飞机飞行高度h、雷达探测深度d、冰介质的介电常数εi计算在平坦冰面模型下，信号由雷达传播至点目标的距离，该模块的流程图如图2所示，包含计算信号在空气中传播的距离、信号在冰介质中传播的距离和冰面折射角度三部分。在生成平坦冰面传播距离的过程中，传播距离rf可以由空气中的传播距离rfair和冰介质中的传播距离rfice的和来表示(如公式1所示)：

3、rf＝rfair+rfice*ηice   (公式1)

4、式中，ηice为空气冰界面的折射率，在冰面产生折射时，入射角θi与折射角θo满足snell折射定律(如公式2所示)

5、

6、其中ηice为冰介质的折射率，折射率与空气冰介面的相对介电常数ε满足如下关系(如公式3所示)

7、η＝√ε        (公式3)

8、高曲率冰面传播距离生成模块：与平坦冰面模型传播距离计算不同的是，计算高曲率平面模型传播距离时，除了输入的飞机飞行高度、雷达探测深度、冰介质的介电常数计算在平坦冰面模型以外，还需要目标区域的斜率角度θ，来计算信号由雷达传播至点目标的距离，该模块的流程图如图3所示，包含计算信号在空气中传播的距离、信号在冰介质中传播的距离和冰面折射角度三步。在生成平坦冰面传播距离的过程中，传播距离rc可以由空气中的传播距离rcair和冰介质中的传播距离rcice的和来表示(如公式4所示)：

9、rc＝rcair+rcice*ηice    (公式4)

10、在冰面产生折射时，入射角θi与折射角θo也满足snell折射定律,其中ηice为冰介质的折射率。

11、在计算高曲率冰面模型下的信号传播距离时，由于冰面存在曲率，因此空气与冰介质中传播距离都会发生变化。示意图如图4所示，此时对于空气中的传播距离rcair、冰介质中的传播距离rcice、入射角θi、斜率角度θ、折射角θo、折射点偏离地面的距离δ、飞机飞行高度h和雷达探测深度d之间应满足如下关系(如公式5所示)：

12、

13、由公式5获得高曲率冰面环境下的传播距离rc。

14、传播距离差生成模块：本模块只有计算距离差值一个部分，流程图如图5所示，通过将前述模块中得到的平坦冰面信号传播距离和高曲率冰面信号传播距离相减得到距离差δr(如公式6所示)：

15、δr＝rc-rf      (公式6)

16、从而获得在两种地面模型下，信号传播距离的差值。

17、二次相位误差计算模块：由于分析子孔径长度时需要使用二次相位误差的计算方式，因此，本模块使用前述模块中所得到的传播距离差来计算二次相位误差的大小，该模块的流程图如图6所示，包含计算泰勒展开式、计算二次相位误差两个部分。我们将冰下点目标到雷达正下视的天地点的方位向距离规定为x，如图4中所示，距离x与子合成孔径长度la的关系如下(如公式7所示)：

18、la＝2x       (公式7)

19、将得到的传播距离差δr进行泰勒展开，展开为关于x的泰勒展开式(如公式8所示)：

20、δr(x)≈k1x+k2x2+k3x3        (公式8)

21、式中k1、k2、k3分别表示泰勒展开式中第一项，第二项以及第三项的常数项系数，其中k1和k3的值几乎为0，因此δr主要由k2决定，因此二次相位误差可以表示为(如公式9所示)：

22、

23、至此，获得距离差的二次相位误差表达式，其中fc表示雷达工作的中心频率，c表示光速，k2为第二项泰勒展开式常数项。

24、子孔径长度计算模块：该模块使用二次相位误差计算模块中得到的二次相位误差作为输入，通过二次相位误差的判别方法对公式9所得到的二次相位误差进行分析，该模块只有子孔径长度计算这一个部分，模块流程图如图7所示，将二次相位误差的大小设置为小于π/4(如公式10所示)：

25、

26、满足该条件时，二次相位误差所引起的距离误差可以忽略，也就是说，此时由二次相位误差求得的距离x是满足能够忽略平坦冰面与高曲率冰面的传播距离差的，根据公式7，就能够求出此时满足要求的子孔径长度la。

27、冰雷达数据成像模块：该模块使用子孔径长度计算模块中所求出的子孔径长度la作为输入，通过快速后向投影的方法进行成像，包括子图像计算模块，最终图像计算模块两个部分，该算法流程图如图8所示，经过脉冲压缩后的雷达信号sout可以表示为(如公式11所示)：

28、

29、式中a0表示原始信号包络，tf为快时间，ts为慢时间，fc表示雷达工作的中心频率，r表示目标到雷达的距离。

30、子图像计算的过程可以由以下公式进行表示，将sout在到的范围内求和以获得子图像(如公式12所示)：

31、

32、式中lsub与公式7所得的la取值相同意义相同，均表示子孔径长度，lfsub表示在生成子图像时雷达获取的快时间,tssub表示在生成子图像时雷达获取的慢时间，tssub′表示在生成子图像的过程中，当tfsub取值不变时，在到的范围内所有tssub的值，sout为公式11计算出的脉冲压缩后的雷达信号。

33、最终图像计算过程可以由以下公式进行表示，将ssub在到的范围内求和以获得最终图像(如公式13所示)：

34、

35、式中tf为快时间,ts为慢时间，ts′表示在生成图像的过程中，当tf取值不变时，在到的范围内所有的ts的值，l代表全孔径长度，ssub为公式7计算得到的子图像结果，为公式12的输入信号,fc表示中心频率

36、l的值由公式14给出：

37、l＝2*(h*tan(θi)+d*tan(θo))        (公式14)

38、式中，h表示雷达到冰面的距离向距离，d表示雷达探测的最大深度，θi表示空气冰界面的入射角，θo表示空气冰界面的折射角。

39、至此，本方法获得了最终成像结果，成像结果如图9所示。

40、有益效果

41、本发明提出了一种基于冰面曲率的冰雷达数据成像方法。该方法可以获得更准确的冰雷达数据成像结果，能够改善高曲率冰面环境下的成像质量。

技术特征：

1.一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法，其特征在于：

技术总结
一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法属于冰雷达数据处理领域。包括：平坦冰面传播距离生成模块、高曲率冰面传播距离生成模块、传播距离差生成模块、二次相位误差计算模块、子孔径长度计算模块和冰雷达数据成像模块。为了解决机载冰雷达在高曲率冰面环境下所采集的数据的成像质量，提出一种基于冰面曲率的冰雷达成像方法，本方法通过校正在高曲率冰面环境下冰雷达成像方法的距离参数，改善成像质量。从而使对冰川分析有更准确的结果。

技术研发人员：稂时楠,冉隆晖,刘长利
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23