东南极地区机载探冰雷达数据的处理以及冰盖结构与温度的研究
发布时间：2021-10-15 18:11
南极是一个非常特殊的区域,它的陆地面积约占全球陆地总面积的10%,其98%的面积常年被冰雪覆盖。在当前全球气候变暖的趋势下,南极冰盖的物质平衡、快速变化及其稳定性研究对全球海平面预测和海洋温盐环流分析显得尤为重要。探冰雷达（Ice-penetrating radar,IPR）是基于电磁波理论,利用雷达回波来研究冰雪介质特征的地球物理探测方法。由于冰的电导率较低且冰盖良好的成层性与均一性,相较于其它的地球物理探测方法,探冰雷达具有很高的穿透能力和冰川内部层分辨能力,而且兼备采集信息量大与效率高等特点。因此探冰雷达被广泛应用在南北极冰盖的科学考察中,基于探冰雷达数据进行数据的处理以及冰盖结构与温度的研究变得非常有意义。本文基于第32次南极科学考察中获得的东南极机载探冰雷达测线F13R47a高增益数据,开展了以下5个内容的研究:探冰雷达数据的常规处理;雷达正演;变分模态分解（Variational Mode Decomposition,简称VMD）方法在机载探冰雷达数据降噪上的应用;基于机载探冰雷达测线F13R47a高增益数据对冰盖结构的分析;利用机载探冰雷达测线F13R47a高增益数据推算...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
第2章探冰雷达的基本原理与数据处理10图2.1中国部署的第一架固定翼飞机雪鹰601，搭载机载地球物理仪器，包括机载HiCARS雷达系统[8]HiCARS已经广泛应用在极地冰盖勘探中，它是一种调频相位相干雷达系统。可以以8kW的峰值发射功率发射带宽15MHz、中心频率60MHz的甚高频脉冲，使得该系统能够适用于重要地质和冰川特征探测，探测深度能够达到4000m以上。由于雪鹰固定翼飞机的有效载荷和翼展更大，该系统的两个平板偶极天线也更适合安装在机翼下方，它们之间的间距是19m。此外，该系统脉冲发射频率6250Hz，采样时间窗64s，采样频率50Mhz，接收机增益18dB。此系统有接近0dB的低增益通道和接近46dB的高增益通道，前者适用于探测冰盖浅部的信息，后者适用于探测深部的反射信息。表2.2为HiCARS系统的各项测量参数指标。表2.2HiCARS机载探冰雷达测量参数参数数值能量峰值8kW中心频率60MHz脉冲发射频率6250Hz采样时间窗64s采样频率50MHz最大探测深度大于4000m天线双平板偶极子天线天线间距19m接收机增益18dB带宽15MHz
第2章探冰雷达的基本原理与数据处理11HiCARS的设计使得其即使在南极洲最厚的冰层之下，也具有非常高的穿透能力，能够探测基岩界面的信息，包括冰盖接地区域、冰下腔体的底部表面、冰下峡谷和深大裂谷，对隐藏在具有高反射率暖冰区以下的地形以及冰川流速较大的区域也具有不错的效果。因为纵向分辨率高，HiCARS能够较清晰地分辨出冰盖内部等时层位。这些等时层有助于建立冰盖沉积历史模型以及量化冰盖的应变关系[69]。冰盖厚度、内部等时层、冰下地形和基岩高程模型不仅可以用来研究冰动力学模式和冰盖演变历史，还是用来选取深冰芯钻井位置以及探索冰盖中的古老冰层的关键资料。又因为相干雷达可以得到回波的相位和振幅信息，所以可以通过HiCARS接收的信号来分析冰床的物理性质，例如基本熔融速率、地热通量以及冰盖底界面的粗糙度等，用来确定冰下的水文系统和沉积物性质[70]。2.3机载探冰雷达数据的预处理与常规处理HiCARS采用常用的剖面法进行测量[71]。飞机的飞行速度保持在90m/s左右，因为HiCARS系统发射高频脉冲时的频率为6250Hz，采样时间窗为64s，所以每个采样道之间的间隔大概为1.5cm。高频脉冲由PXI数字生成，经过Tomco放大器输出，带宽为15MHz，中心频率为60MHz，时间长度为1μs。图2.2显示了发射脉冲图像。图2.2Tomco放大器输出信号,黄色为40dB衰减脉冲[13]2.3.1机载探冰雷达数据的预处理HiCARS的电子接收器峰值间的饱和电压为1V，它通过判断PXI数字控制器产生的空白信号来确定是否脉冲进行数字化。接收信号会有接近0dB的低增益通道和
本文编号：3438400
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
第2章探冰雷达的基本原理与数据处理10图2.1中国部署的第一架固定翼飞机雪鹰601，搭载机载地球物理仪器，包括机载HiCARS雷达系统[8]HiCARS已经广泛应用在极地冰盖勘探中，它是一种调频相位相干雷达系统。可以以8kW的峰值发射功率发射带宽15MHz、中心频率60MHz的甚高频脉冲，使得该系统能够适用于重要地质和冰川特征探测，探测深度能够达到4000m以上。由于雪鹰固定翼飞机的有效载荷和翼展更大，该系统的两个平板偶极天线也更适合安装在机翼下方，它们之间的间距是19m。此外，该系统脉冲发射频率6250Hz，采样时间窗64s，采样频率50Mhz，接收机增益18dB。此系统有接近0dB的低增益通道和接近46dB的高增益通道，前者适用于探测冰盖浅部的信息，后者适用于探测深部的反射信息。表2.2为HiCARS系统的各项测量参数指标。表2.2HiCARS机载探冰雷达测量参数参数数值能量峰值8kW中心频率60MHz脉冲发射频率6250Hz采样时间窗64s采样频率50MHz最大探测深度大于4000m天线双平板偶极子天线天线间距19m接收机增益18dB带宽15MHz
第2章探冰雷达的基本原理与数据处理11HiCARS的设计使得其即使在南极洲最厚的冰层之下，也具有非常高的穿透能力，能够探测基岩界面的信息，包括冰盖接地区域、冰下腔体的底部表面、冰下峡谷和深大裂谷，对隐藏在具有高反射率暖冰区以下的地形以及冰川流速较大的区域也具有不错的效果。因为纵向分辨率高，HiCARS能够较清晰地分辨出冰盖内部等时层位。这些等时层有助于建立冰盖沉积历史模型以及量化冰盖的应变关系[69]。冰盖厚度、内部等时层、冰下地形和基岩高程模型不仅可以用来研究冰动力学模式和冰盖演变历史，还是用来选取深冰芯钻井位置以及探索冰盖中的古老冰层的关键资料。又因为相干雷达可以得到回波的相位和振幅信息，所以可以通过HiCARS接收的信号来分析冰床的物理性质，例如基本熔融速率、地热通量以及冰盖底界面的粗糙度等，用来确定冰下的水文系统和沉积物性质[70]。2.3机载探冰雷达数据的预处理与常规处理HiCARS采用常用的剖面法进行测量[71]。飞机的飞行速度保持在90m/s左右，因为HiCARS系统发射高频脉冲时的频率为6250Hz，采样时间窗为64s，所以每个采样道之间的间隔大概为1.5cm。高频脉冲由PXI数字生成，经过Tomco放大器输出，带宽为15MHz，中心频率为60MHz，时间长度为1μs。图2.2显示了发射脉冲图像。图2.2Tomco放大器输出信号,黄色为40dB衰减脉冲[13]2.3.1机载探冰雷达数据的预处理HiCARS的电子接收器峰值间的饱和电压为1V，它通过判断PXI数字控制器产生的空白信号来确定是否脉冲进行数字化。接收信号会有接近0dB的低增益通道和
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