极地雷达冰川学: 前沿技术与方法

崔祥斌 郝彤 稂时楠 赵博 肖鹏 艾松涛 蔡轶珩 刘艳 赵文轲 邢治瑞,9 许奔, 董晟,0 罗坤,

(1中国极地研究中心, 上海 200136;2同济大学测绘与地理信息学院, 上海 200092;3北京工业大学, 北京 100124;4中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100190;5中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室, 北京 100094;6武汉大学中国南极测绘研究中心, 湖北 武汉 430070;7中国科学院大学, 北京 100049;8浙江大学, 浙江 杭州 310027;9太原理工大学, 山西 太原 030024;10中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026;11吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026)

雷达冰川学是通过冰雷达(也称无线电回波、探冰雷达、穿冰雷达等)探测, 测绘极地冰盖冰厚、冰下地形、冰盖内部冰层(等时层)分布及其扰动等, 进而研究冰盖底部环境和过程、冰层年代、冰流运动和冰盖动力学的一门年轻的学科, 能够用于推断冰盖演化和气候变化, 评估冰盖稳定性、物质平衡和对海平面上升的影响。20世纪50年代, 无线电回波在冰内的强穿透性被首次发现, 直接推动了冰雷达探测技术的发展。此后, 冰雷达被广泛用于南北极冰盖的观测和研究。1983年, Bogorodsky等人出版了名为《Radioglaciology》的专著, 系统阐释了雷达冰川学的概念、原理和观测研究进展。2014年和2019年, 国际冰川学会(IGS)以Radioglaciology为主题, 分别在美国堪萨斯大学和斯坦福大学组织了两次大型的雷达冰川学学术研讨会, 进一步推动了雷达冰川学学科的发展。

国际上, 基于冰雷达探测结果, 先后形成了多个北极格陵兰冰盖和南极冰盖的冰下地形数值高程模型, 并且随着观测数据的不断积累, 模型空间分辨率也从最初的数十公里逐步提升到目前的500 m, 为准确评估极地冰盖冰量、认识冰下地形地貌提供了重要基础数据。除了冰厚和冰下地形, 鉴于冰雷达技术在探测冰盖内部结构、冰岩界面属性和物理过程中独有的有效性和高效性, 雷达冰川学还广泛用于冰下湖和冰下水系识别、冰下地质反演、冰芯年代评估等, 为认识极地冰盖动力学和冰盖演化, 做出了极其显著的贡献。同时, 伴随着雷达冰川学应用研究的深入, 冰雷达及其搭载平台技术、冰雷达数据处理和定量化分析解释方法等研究也取得了一系列重要的突破和进展。

我国雷达冰川学的发展起步于21世纪初。过去近20年来, 先后构建了国际先进的车载(内陆车队)和航空(“雪鹰601”)观测平台; 成功研制了车载深部探测和浅层探测两型冰雷达系统, 正着手开展基于无人机和卫星平台的冰雷达技术的论证; 发展了谱域双参数和自适应粗糙度指数、冰岩界面和内部层提取等一系列先进的数据处理分析方法; 聚焦南极冰穹A、内陆考察断面和伊丽莎白公主地等关键区域, 广泛实施了国内和国际合作的观测研究; 在南极冰盖起源和演化, 南极最大数据空白区——伊丽莎白公主地冰下地形模型构建, 冰穹A深冰芯年代评估等方面, 取得了有国际影响力的成果。尽管如此, 相较于国际雷达冰川学的发展, 我国雷达冰川学的观测研究起步较晚, 研究深度和广度还很不足, 仍有广阔的发展空间。

为加强国内雷达冰川学研究力量的交流和深度合作, 推进我国雷达冰川学学科建设及极地冰盖和全球气候变化世界科学前沿研究, 服务国家南极重大需求, 2022年7月11日, 中国极地研究中心(中国极地研究所)极地冰雪与气候变化研究所(筹)牵头组织召开了“极地雷达冰川学: 前沿技术与方法”学术研讨会。本次学术研讨会也是自然资源部极地科学重点实验室“极地科学前沿论坛”的一次重要学术活动。来自同济大学、北京工业大学、中国科学院空天信息创新研究院、中国空间技术研究院、武汉大学、中国科学院大学、南方科技大学、北京大学、浙江大学、上海海洋大学、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学院国家空间科学中心等国内数十个科研单位的近70人参加了本次研讨会。本次研讨会同时通过《雷达学报》公众号、哔哩哔哩和蔻享等线上平台进行了直播。

会议共安排了12个口头报告, 内容主要包括: 1)国内外极地冰盖和行星冰层探测冰雷达及其观测平台的技术发展现状和趋势; 2)我国南极航空和北极山地冰川雷达冰川学观测研究进展; 3)冰雷达数据处理方案、方法和软件的研发, 以及冰床粗糙度多尺度刻画、冰下物性识别、基于深度学习的冰岩界面和内部层提取、冰裂隙检测等前沿数据分析解译方法研究。

通过学术报告和讨论, 本次研讨会一方面充分交流了国内外极地雷达冰川学技术和方法的前沿进展, 另一方面也深入分析和总结了冰雷达及其观测平台技术、数据处理和分析方法的关键问题、主要挑战和未来研究方向等, 并且围绕学科发展, 提出一些意见和建议, 具体如下。

1 冰雷达及其观测平台技术

追求深部探测的冰雷达技术仍具有重要的应用前景, 特别是适用于极地冰盖快速冰流、注出冰川以及山地冰川等信号强衰减区域的冰厚和冰下地形测绘的冰雷达技术。多通道、多极化的深部探测冰雷达系统的研发, 将有助于实现不同深度、一定交轨向幅宽的冰盖内部结构和底部界面的高分辨率探测, 以及通过极化观测研究影响冰内介电属性的因素, 并将其与宏观的冰盖的演化、流变和动力学过程相关联。在深部探测冰雷达系统的性能方面, 接近5000 m的探测深度和米级的垂向分辨率, 基本可以满足未来极地冰盖深部探测的需求。国际上, 深部探测冰雷达系统主要集成安装在固定翼飞机、直升飞机和雪地车辆等平台, 但不同的平台也都面临不同的挑战。现有的固定翼飞机受限于起降跑道和油料分布, 无法深入数据稀疏区(通常远离考察站或保障营地)进行强化观测; 直升飞机平台存在系统搭载和航程方面的挑战, 其高频抖动也会对观测结果造成影响; 基于雪地车的地面观测尽管在测量精度和网格分辨率方面优势明显, 但其可到达性和区域覆盖范围非常有限。针对上述问题, 国际上提出引入大航程固定翼飞机、研发地面和空中无人观测平台等解决方案。然而, 目前还几乎没有适用于极地环境, 同时能够满足天线搭载和载重需求, 并且将飞行风险降到可接受范围内的无人观测平台。我国成功自主研发了车载深部探测冰雷达系统以及满足冰雷达搭载要求的专用观测舱, 不过, 其探测深度不足4000 m, 且不具备多通道和多极化探测能力, 无法满足未来南极冰盖冰下地形测绘、冰下湖钻探选址和最古老深冰芯寻找等精细化探测的需求。2015年, 我国构建了基于“雪鹰601”固定翼飞机的极地航空观测平台, 搭载了由美国德克萨斯大学地球物理学中心研制的深部探测航空冰雷达系统, 大大提升了极地冰盖冰下探测的能力, 也使得着手研制自主的深部探测航空冰雷达系统成为可能, 不过这需要以地面深部探测冰雷达系统的升级和多通道、多极化技术的研发为前提。

浅层探测冰雷达是高效、高分辨率探测极地冰盖浅部冰层、雪层以及海冰及其上覆积雪厚度的一类非常重要的冰雷达技术。目前的浅层探测冰雷达以调频连续波(FMCW)为主, 不仅很好地实现了系统的小型化和轻量化, 而且也不存在深部探测冰雷达天线搭载困难的问题。因此, 浅层探测冰雷达已基本具备了地面和空中无人观测平台搭载的能力。技术性能方面, 浅层探测冰雷达的探测垂向分辨率已经能够达到厘米量级, 而探测深度可以根据探测目标和观测平台的类别, 达到数十米到数百米。我国前期成功研制了一型FMCW浅层探测冰雷达, 垂向分辨率优于10 cm, 而探测深度接近200 m。未来, 面向冰盖和海冰研究需求, 研发适用于中低空无人观测平台以及有人飞机平台的不同探测深度和分辨率的浅层探测冰雷达系统, 将有助于提升我们对极地冰盖和海冰的观监测能力。

无论是深部还是浅层探测冰雷达, 未来想要搭载于无人观测平台(特别是无人飞行器)实现在极地的广泛应用, 无人观测平台自身的安全性以及冰雷达系统的小型化、轻量化、低功耗和天线适配性等,都是需要解决的关键技术。

相敏雷达是一类主要用于极地冰架和冰川厚度变化监测的冰雷达系统。它通过定点的长期监测,利用雷达信号的相位变化来实现高精度的冰厚变化测量, 进而研究极地冰架和冰川的底部消融和再冻结。受低温供电、积雪掩埋、野外布放困难等因素的影响, 相敏雷达的观测周期通常仅为几个月, 少数可以达到1年以上, 因此, 延长其观测周期是未来相敏雷达技术发展的重要方向。近期, 国际上也尝试通过移动观测的方式将相敏雷达用于极地冰盖底部冰层的探测, 期望解决现有深部探测冰雷达系统观测结果中普遍存在的冰盖底部“回波空白带”(Echo Free Zone, EFZ)的问题。目前, 达到应用程度的极地冰架和冰川探测相敏雷达, 主要是由英国南极局自主研制的。

天基冰雷达系统, 不仅能够实现极地冰盖的高效、周期性和长期的测绘以及变化监测, 而且基本不受极地恶劣环境的影响, 具有显著的应用潜力和需求, 是近年来冰雷达技术的研究前沿和热点。美国、日本、欧洲等都相继开展了天基冰雷达技术及其星载平台的方案论证。发展天基冰雷达系统主要面临三大挑战, 分别是传输衰减大、积雪杂波干扰严重、空间分辨率低。目前, 采用分布式立方星群解决上述问题基本成为国际共识, 国内也提出并在积极推动分布式的极地冰盖星载冰雷达探测系统。该系统有望实现百米空间网格分辨率以及超过3 km的极地冰盖深度探测能力, 能够在季节尺度上完成对全南极冰盖的探测。

被动探测冰雷达, 主要是将太阳光作为电磁波来探测极地冰盖, 尽管已经开展过相关的论证和试验, 其技术挑战仍然非常大。

2 冰雷达数据处理和分析方法

目前, 大部分冰雷达系统是科研机构根据需要自主研制的, 都不是商业设备。国际上, 也没有统一的冰雷达数据处理方法和规范, 更没有通用的数据处理软件。冰雷达数据的处理仍然依靠研究人员根据硬件参数自行编写算法和程序, 从而实现从原始数据到高质量成图数据的处理, 包括下变频、去除直流分量、脉冲压缩、相干叠加和非相干叠加等初步处理, 以及F-K偏移和一维、二维聚焦等后期高阶处理。然而, 随着冰雷达探测研究的深入, 国际上逐渐意识到, 各国用于极地冰盖探测的冰雷达技术的不同, 以及数据处理方法的差异, 严重妨碍了数据的集同分析和解释。特别是在南极, 想要建立基于冰雷达观测的大陆尺度的精细数据产品(比如内部等时层分布), 开展不同冰雷达观测结果的对比分析和协同解释等, 难度很大。近期, 国际上开始着手建设统一的冰雷达数据处理方法平台, 从而满足不同类型冰雷达系统观测数据的一致性处理需求, 例如美国的Open Polar Radar计划。2015年以来, 中国极地研究中心(中国极地研究所)联合北京工业大学、同济大学, 借鉴美国德克萨斯大学地球物理学中心的航空冰雷达数据处理规范, 持续开展了我国航空冰雷达数据处理方法和软件的研制。目前, 我们已基本实现了冰雷达数据的自主和规范化处理, 并正形成易于操作的数据处理软件系统。此外, 我们还提出了一种基于后向投影的冰雷达数据深入处理方法, 有望代替目前的二维聚焦算法, 实现在不降低方位向杂波抑制能力和处理效率的前提下, 有效提高成像结果的空间相关性。未来, 借鉴卫星遥感、地震和探地雷达领域的先进方法, 进一步优化和改进冰雷达数据处理方法, 是重要的研究方向。

国际上, 冰雷达数据的定量化分析方法主要集中在冰床粗糙度、冰底反射率(或回波能量)、冰底镜面反射特征等, 用于刻画冰下基岩界面的起伏特征、判断和识别冰下基岩属性(冷暖、干湿、冰下水/湖、沉积层、基岩等)。在冰床粗糙度刻画方法上, 2010年和2021年, 我国科研人员分别提出了谱域双参数冰床粗糙度指数方法和自适应多尺度双参数指数方法, 显著提升了定量刻画冰下基岩地形起伏特征的准确性, 拓展了基于冰床粗糙度的极地冰盖冰底环境和过程的研究范畴和深度。最近, 同济大学联合中国极地研究中心(中国极地研究所), 开展了基于联合时频分析和形态学的冰下基岩属性识别方法, 有望更准确地对冰下物性进行识别和分类。

冰雷达数据分析过程中, 冰岩界面和内部冰层界面的追踪和提取, 是制约冰雷达数据应用研究的重要因素。国际上, 纯人工手动和人工手动结合计算机的半自动追踪, 依然是目前从冰雷达剖面影像中提取冰岩界面、内部冰层界面的主要方法。尽管上述方法能够保证处理结果的可靠性和准确性, 比如, 能够将冰厚、冰下地形高程和内部冰层埋深的误差控制在数十米之内, 但是效率极低。为解决这一问题, 近年来, 国际上利用神经网络、机器学习等新方法, 开展了大量的研究, 并且建立了北极格陵兰冰盖内部冰层分布的数据产品。然而, 在南极, 由于冰雷达系统和处理方法存在差异, 仍然缺少有效、可靠的方法。除了冰岩界面、内部冰层界面的追踪和提取, 神经网络、机器学习还被广泛用于极地冰盖高分辨率冰下地形高程模型的构建以及冰底特征冰层、冰裂隙等的自动识别和检测。神经网络、机器学习可以充分挖掘海量冰雷达数据中冰面以下冰体的结构和属性特征, 在极地雷达冰川学领域, 具有广泛的应用前景。但是, 缺少可用的冰雷达数据集, 缺少高网格分辨率的观测数据, 是深入应用神经网络、机器学习等方法的挑战。

3 其他意见和建议

雷达冰川学前沿技术和方法的研发是科学应用与研究的基础。极地冰盖的不稳定性和物质平衡、冰川加速退缩、极地海冰快速变化等科学研究前沿, 我国南极考察活动安全保障、南极冰下基础测绘、地质环境调查等国家需求, 都是雷达冰川学的重要研究和应用方向。需要针对上述方向, 发展谱系化的观测技术和数据分析方法。

冰雷达和观测平台技术的研发, 新的数据分析方法的提出与发展, 都离不开极地现场的观测试验和验证。因此, 加强已有观测数据的共享和信息挖掘, 加强与其他领域极地考察任务的协作, 是非常必要的。此外, 建立模拟极地冰盖冰层和冰底环境的实验室, 开展模拟和仿真研究, 从而建立冰雷达数据结果与冰内介电属性和冰底环境属性的表征关系, 也非常重要。

当前, 国内极地雷达冰川学的研究力量还相对薄弱, 加强与地球物理、卫星遥感、电子信息、信号处理、人工智能等领域研究力量的合作, 联合培养博士和硕士研究生, 是强化雷达冰川学研究力量和人才培养的优先途径。