南極是一個非常特殊的區(qū)域,它的陸地面積約占全球陸地總面積的10%,其98%的面積常年被冰雪覆蓋。在當前全球氣候變暖的趨勢下,南極冰蓋的物質平衡、快速變化及其穩(wěn)定性研究對全球海平面預測和海洋溫鹽環(huán)流分析顯得尤為重要。探冰雷達（Ice-penetrating radar,IPR）是基于電磁波理論,利用雷達回波來研究冰雪介質特征的地球物理探測方法。由于冰的電導率較低且冰蓋良好的成層性與均一性,相較于其它的地球物理探測方法,探冰雷達具有很高的穿透能力和冰川內部層分辨能力,而且兼?zhèn)洳杉畔⒘看笈c效率高等特點。因此探冰雷達被廣泛應用在南北極冰蓋的科學考察中,基于探冰雷達數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的處理以及冰蓋結構與溫度的研究變得非常有意義。本文基于第32次南極科學考察中獲得的東南極機載探冰雷達測線F13R47a高增益數(shù)據(jù),開展了以下5個內容的研究:探冰雷達數(shù)據(jù)的常規(guī)處理;雷達正演;變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition,簡稱VMD）方法在機載探冰雷達數(shù)據(jù)降噪上的應用;基于機載探冰雷達測線F13R47a高增益數(shù)據(jù)對冰蓋結構的分析;利用機載探冰雷達測線F13R47a高增益數(shù)據(jù)推算... 

【文章來源】：吉林大學吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

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技術路線圖

第2章探冰雷達的基本原理與數(shù)據(jù)處理10圖2.1中國部署的第一架固定翼飛機雪鷹601，搭載機載地球物理儀器，包括機載HiCARS雷達系統(tǒng)[8]HiCARS已經廣泛應用在極地冰蓋勘探中，它是一種調頻相位相干雷達系統(tǒng)。可以以8kW的峰值發(fā)射功率發(fā)射帶寬15MHz、中心頻率60MHz的甚高頻脈沖，使得該系統(tǒng)能夠適用于重要地質和冰川特征探測，探測深度能夠達到4000m以上。由于雪鷹固定翼飛機的有效載荷和翼展更大，該系統(tǒng)的兩個平板偶極天線也更適合安裝在機翼下方，它們之間的間距是19m。此外，該系統(tǒng)脈沖發(fā)射頻率6250Hz，采樣時間窗64s，采樣頻率50Mhz，接收機增益18dB。此系統(tǒng)有接近0dB的低增益通道和接近46dB的高增益通道，前者適用于探測冰蓋淺部的信息，后者適用于探測深部的反射信息。表2.2為HiCARS系統(tǒng)的各項測量參數(shù)指標。表2.2HiCARS機載探冰雷達測量參數(shù)參數(shù)數(shù)值能量峰值8kW中心頻率60MHz脈沖發(fā)射頻率6250Hz采樣時間窗64s采樣頻率50MHz最大探測深度大于4000m天線雙平板偶極子天線天線間距19m接收機增益18dB帶寬15MHz

第2章探冰雷達的基本原理與數(shù)據(jù)處理11HiCARS的設計使得其即使在南極洲最厚的冰層之下，也具有非常高的穿透能力，能夠探測基巖界面的信息，包括冰蓋接地區(qū)域、冰下腔體的底部表面、冰下峽谷和深大裂谷，對隱藏在具有高反射率暖冰區(qū)以下的地形以及冰川流速較大的區(qū)域也具有不錯的效果。因為縱向分辨率高，HiCARS能夠較清晰地分辨出冰蓋內部等時層位。這些等時層有助于建立冰蓋沉積歷史模型以及量化冰蓋的應變關系[69]。冰蓋厚度、內部等時層、冰下地形和基巖高程模型不僅可以用來研究冰動力學模式和冰蓋演變歷史，還是用來選取深冰芯鉆井位置以及探索冰蓋中的古老冰層的關鍵資料。又因為相干雷達可以得到回波的相位和振幅信息，所以可以通過HiCARS接收的信號來分析冰床的物理性質，例如基本熔融速率、地熱通量以及冰蓋底界面的粗糙度等，用來確定冰下的水文系統(tǒng)和沉積物性質[70]。2.3機載探冰雷達數(shù)據(jù)的預處理與常規(guī)處理HiCARS采用常用的剖面法進行測量[71]。飛機的飛行速度保持在90m/s左右，因為HiCARS系統(tǒng)發(fā)射高頻脈沖時的頻率為6250Hz，采樣時間窗為64s，所以每個采樣道之間的間隔大概為1.5cm。高頻脈沖由PXI數(shù)字生成，經過Tomco放大器輸出，帶寬為15MHz，中心頻率為60MHz，時間長度為1μs。圖2.2顯示了發(fā)射脈沖圖像。圖2.2Tomco放大器輸出信號,黃色為40dB衰減脈沖[13]2.3.1機載探冰雷達數(shù)據(jù)的預處理HiCARS的電子接收器峰值間的飽和電壓為1V，它通過判斷PXI數(shù)字控制器產生的空白信號來確定是否脈沖進行數(shù)字化。接收信號會有接近0dB的低增益通道和


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