極地雷達冰川學: 前沿技術與方法

崔祥斌 郝彤 稂時楠 趙博 肖鵬 艾松濤 蔡軼珩 劉艷 趙文軻 邢治瑞,9 許奔, 董晟,0 羅坤,

(1中國極地研究中心, 上海 200136;2同濟大學測繪與地理信息學院, 上海 200092;3北京工業大學, 北京 100124;4中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100190;5中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室, 北京 100094;6武漢大學中國南極測繪研究中心, 湖北 武漢 430070;7中國科學院大學, 北京 100049;8浙江大學, 浙江 杭州 310027;9太原理工大學, 山西 太原 030024;10中國科學技術大學地球和空間科學學院, 安徽 合肥 230026;11吉林大學地球探測科學與技術學院, 吉林 長春 130026)

雷達冰川學是通過冰雷達(也稱無線電回波、探冰雷達、穿冰雷達等)探測, 測繪極地冰蓋冰厚、冰下地形、冰蓋內部冰層(等時層)分布及其擾動等, 進而研究冰蓋底部環境和過程、冰層年代、冰流運動和冰蓋動力學的一門年輕的學科, 能夠用于推斷冰蓋演化和氣候變化, 評估冰蓋穩定性、物質平衡和對海平面上升的影響。20世紀50年代, 無線電回波在冰內的強穿透性被首次發現, 直接推動了冰雷達探測技術的發展。此后, 冰雷達被廣泛用于南北極冰蓋的觀測和研究。1983年, Bogorodsky等人出版了名為《Radioglaciology》的專著, 系統闡釋了雷達冰川學的概念、原理和觀測研究進展。2014年和2019年, 國際冰川學會(IGS)以Radioglaciology為主題, 分別在美國堪薩斯大學和斯坦福大學組織了兩次大型的雷達冰川學學術研討會, 進一步推動了雷達冰川學學科的發展。

國際上, 基于冰雷達探測結果, 先后形成了多個北極格陵蘭冰蓋和南極冰蓋的冰下地形數值高程模型, 并且隨著觀測數據的不斷積累, 模型空間分辨率也從最初的數十公里逐步提升到目前的500 m, 為準確評估極地冰蓋冰量、認識冰下地形地貌提供了重要基礎數據。除了冰厚和冰下地形, 鑒于冰雷達技術在探測冰蓋內部結構、冰巖界面屬性和物理過程中獨有的有效性和高效性, 雷達冰川學還廣泛用于冰下湖和冰下水系識別、冰下地質反演、冰芯年代評估等, 為認識極地冰蓋動力學和冰蓋演化, 做出了極其顯著的貢獻。同時, 伴隨著雷達冰川學應用研究的深入, 冰雷達及其搭載平臺技術、冰雷達數據處理和定量化分析解釋方法等研究也取得了一系列重要的突破和進展。

我國雷達冰川學的發展起步于21世紀初。過去近20年來, 先后構建了國際先進的車載(內陸車隊)和航空(“雪鷹601”)觀測平臺; 成功研制了車載深部探測和淺層探測兩型冰雷達系統, 正著手開展基于無人機和衛星平臺的冰雷達技術的論證; 發展了譜域雙參數和自適應粗糙度指數、冰巖界面和內部層提取等一系列先進的數據處理分析方法; 聚焦南極冰穹A、內陸考察斷面和伊麗莎白公主地等關鍵區域, 廣泛實施了國內和國際合作的觀測研究; 在南極冰蓋起源和演化, 南極最大數據空白區——伊麗莎白公主地冰下地形模型構建, 冰穹A深冰芯年代評估等方面, 取得了有國際影響力的成果。盡管如此, 相較于國際雷達冰川學的發展, 我國雷達冰川學的觀測研究起步較晚, 研究深度和廣度還很不足, 仍有廣闊的發展空間。

為加強國內雷達冰川學研究力量的交流和深度合作, 推進我國雷達冰川學學科建設及極地冰蓋和全球氣候變化世界科學前沿研究, 服務國家南極重大需求, 2022年7月11日, 中國極地研究中心(中國極地研究所)極地冰雪與氣候變化研究所(籌)牽頭組織召開了“極地雷達冰川學: 前沿技術與方法”學術研討會。本次學術研討會也是自然資源部極地科學重點實驗室“極地科學前沿論壇”的一次重要學術活動。來自同濟大學、北京工業大學、中國科學院空天信息創新研究院、中國空間技術研究院、武漢大學、中國科學院大學、南方科技大學、北京大學、浙江大學、上海海洋大學、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、中國科學院國家空間科學中心等國內數十個科研單位的近70人參加了本次研討會。本次研討會同時通過《雷達學報》公眾號、嗶哩嗶哩和蔻享等線上平臺進行了直播。

會議共安排了12個口頭報告, 內容主要包括: 1)國內外極地冰蓋和行星冰層探測冰雷達及其觀測平臺的技術發展現狀和趨勢; 2)我國南極航空和北極山地冰川雷達冰川學觀測研究進展; 3)冰雷達數據處理方案、方法和軟件的研發, 以及冰床粗糙度多尺度刻畫、冰下物性識別、基于深度學習的冰巖界面和內部層提取、冰裂隙檢測等前沿數據分析解譯方法研究。

通過學術報告和討論, 本次研討會一方面充分交流了國內外極地雷達冰川學技術和方法的前沿進展, 另一方面也深入分析和總結了冰雷達及其觀測平臺技術、數據處理和分析方法的關鍵問題、主要挑戰和未來研究方向等, 并且圍繞學科發展, 提出一些意見和建議, 具體如下。

1 冰雷達及其觀測平臺技術

追求深部探測的冰雷達技術仍具有重要的應用前景, 特別是適用于極地冰蓋快速冰流、注出冰川以及山地冰川等信號強衰減區域的冰厚和冰下地形測繪的冰雷達技術。多通道、多極化的深部探測冰雷達系統的研發, 將有助于實現不同深度、一定交軌向幅寬的冰蓋內部結構和底部界面的高分辨率探測, 以及通過極化觀測研究影響冰內介電屬性的因素, 并將其與宏觀的冰蓋的演化、流變和動力學過程相關聯。在深部探測冰雷達系統的性能方面, 接近5000 m的探測深度和米級的垂向分辨率, 基本可以滿足未來極地冰蓋深部探測的需求。國際上, 深部探測冰雷達系統主要集成安裝在固定翼飛機、直升飛機和雪地車輛等平臺, 但不同的平臺也都面臨不同的挑戰。現有的固定翼飛機受限于起降跑道和油料分布, 無法深入數據稀疏區(通常遠離考察站或保障營地)進行強化觀測; 直升飛機平臺存在系統搭載和航程方面的挑戰, 其高頻抖動也會對觀測結果造成影響; 基于雪地車的地面觀測盡管在測量精度和網格分辨率方面優勢明顯, 但其可到達性和區域覆蓋范圍非常有限。針對上述問題, 國際上提出引入大航程固定翼飛機、研發地面和空中無人觀測平臺等解決方案。然而, 目前還幾乎沒有適用于極地環境, 同時能夠滿足天線搭載和載重需求, 并且將飛行風險降到可接受范圍內的無人觀測平臺。我國成功自主研發了車載深部探測冰雷達系統以及滿足冰雷達搭載要求的專用觀測艙, 不過, 其探測深度不足4000 m, 且不具備多通道和多極化探測能力, 無法滿足未來南極冰蓋冰下地形測繪、冰下湖鉆探選址和最古老深冰芯尋找等精細化探測的需求。2015年, 我國構建了基于“雪鷹601”固定翼飛機的極地航空觀測平臺, 搭載了由美國德克薩斯大學地球物理學中心研制的深部探測航空冰雷達系統, 大大提升了極地冰蓋冰下探測的能力, 也使得著手研制自主的深部探測航空冰雷達系統成為可能, 不過這需要以地面深部探測冰雷達系統的升級和多通道、多極化技術的研發為前提。

淺層探測冰雷達是高效、高分辨率探測極地冰蓋淺部冰層、雪層以及海冰及其上覆積雪厚度的一類非常重要的冰雷達技術。目前的淺層探測冰雷達以調頻連續波(FMCW)為主, 不僅很好地實現了系統的小型化和輕量化, 而且也不存在深部探測冰雷達天線搭載困難的問題。因此, 淺層探測冰雷達已基本具備了地面和空中無人觀測平臺搭載的能力。技術性能方面, 淺層探測冰雷達的探測垂向分辨率已經能夠達到厘米量級, 而探測深度可以根據探測目標和觀測平臺的類別, 達到數十米到數百米。我國前期成功研制了一型FMCW淺層探測冰雷達, 垂向分辨率優于10 cm, 而探測深度接近200 m。未來, 面向冰蓋和海冰研究需求, 研發適用于中低空無人觀測平臺以及有人飛機平臺的不同探測深度和分辨率的淺層探測冰雷達系統, 將有助于提升我們對極地冰蓋和海冰的觀監測能力。

無論是深部還是淺層探測冰雷達, 未來想要搭載于無人觀測平臺(特別是無人飛行器)實現在極地的廣泛應用, 無人觀測平臺自身的安全性以及冰雷達系統的小型化、輕量化、低功耗和天線適配性等,都是需要解決的關鍵技術。

相敏雷達是一類主要用于極地冰架和冰川厚度變化監測的冰雷達系統。它通過定點的長期監測,利用雷達信號的相位變化來實現高精度的冰厚變化測量, 進而研究極地冰架和冰川的底部消融和再凍結。受低溫供電、積雪掩埋、野外布放困難等因素的影響, 相敏雷達的觀測周期通常僅為幾個月, 少數可以達到1年以上, 因此, 延長其觀測周期是未來相敏雷達技術發展的重要方向。近期, 國際上也嘗試通過移動觀測的方式將相敏雷達用于極地冰蓋底部冰層的探測, 期望解決現有深部探測冰雷達系統觀測結果中普遍存在的冰蓋底部“回波空白帶”(Echo Free Zone, EFZ)的問題。目前, 達到應用程度的極地冰架和冰川探測相敏雷達, 主要是由英國南極局自主研制的。

天基冰雷達系統, 不僅能夠實現極地冰蓋的高效、周期性和長期的測繪以及變化監測, 而且基本不受極地惡劣環境的影響, 具有顯著的應用潛力和需求, 是近年來冰雷達技術的研究前沿和熱點。美國、日本、歐洲等都相繼開展了天基冰雷達技術及其星載平臺的方案論證。發展天基冰雷達系統主要面臨三大挑戰, 分別是傳輸衰減大、積雪雜波干擾嚴重、空間分辨率低。目前, 采用分布式立方星群解決上述問題基本成為國際共識, 國內也提出并在積極推動分布式的極地冰蓋星載冰雷達探測系統。該系統有望實現百米空間網格分辨率以及超過3 km的極地冰蓋深度探測能力, 能夠在季節尺度上完成對全南極冰蓋的探測。

被動探測冰雷達, 主要是將太陽光作為電磁波來探測極地冰蓋, 盡管已經開展過相關的論證和試驗, 其技術挑戰仍然非常大。

2 冰雷達數據處理和分析方法

目前, 大部分冰雷達系統是科研機構根據需要自主研制的, 都不是商業設備。國際上, 也沒有統一的冰雷達數據處理方法和規范, 更沒有通用的數據處理軟件。冰雷達數據的處理仍然依靠研究人員根據硬件參數自行編寫算法和程序, 從而實現從原始數據到高質量成圖數據的處理, 包括下變頻、去除直流分量、脈沖壓縮、相干疊加和非相干疊加等初步處理, 以及F-K偏移和一維、二維聚焦等后期高階處理。然而, 隨著冰雷達探測研究的深入, 國際上逐漸意識到, 各國用于極地冰蓋探測的冰雷達技術的不同, 以及數據處理方法的差異, 嚴重妨礙了數據的集同分析和解釋。特別是在南極, 想要建立基于冰雷達觀測的大陸尺度的精細數據產品(比如內部等時層分布), 開展不同冰雷達觀測結果的對比分析和協同解釋等, 難度很大。近期, 國際上開始著手建設統一的冰雷達數據處理方法平臺, 從而滿足不同類型冰雷達系統觀測數據的一致性處理需求, 例如美國的Open Polar Radar計劃。2015年以來, 中國極地研究中心(中國極地研究所)聯合北京工業大學、同濟大學, 借鑒美國德克薩斯大學地球物理學中心的航空冰雷達數據處理規范, 持續開展了我國航空冰雷達數據處理方法和軟件的研制。目前, 我們已基本實現了冰雷達數據的自主和規范化處理, 并正形成易于操作的數據處理軟件系統。此外, 我們還提出了一種基于后向投影的冰雷達數據深入處理方法, 有望代替目前的二維聚焦算法, 實現在不降低方位向雜波抑制能力和處理效率的前提下, 有效提高成像結果的空間相關性。未來, 借鑒衛星遙感、地震和探地雷達領域的先進方法, 進一步優化和改進冰雷達數據處理方法, 是重要的研究方向。

國際上, 冰雷達數據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)、冰底鏡面反射特征等, 用于刻畫冰下基巖界面的起伏特征、判斷和識別冰下基巖屬性(冷暖、干濕、冰下水/湖、沉積層、基巖等)。在冰床粗糙度刻畫方法上, 2010年和2021年, 我國科研人員分別提出了譜域雙參數冰床粗糙度指數方法和自適應多尺度雙參數指數方法, 顯著提升了定量刻畫冰下基巖地形起伏特征的準確性, 拓展了基于冰床粗糙度的極地冰蓋冰底環境和過程的研究范疇和深度。最近, 同濟大學聯合中國極地研究中心(中國極地研究所), 開展了基于聯合時頻分析和形態學的冰下基巖屬性識別方法, 有望更準確地對冰下物性進行識別和分類。

冰雷達數據分析過程中, 冰巖界面和內部冰層界面的追蹤和提取, 是制約冰雷達數據應用研究的重要因素。國際上, 純人工手動和人工手動結合計算機的半自動追蹤, 依然是目前從冰雷達剖面影像中提取冰巖界面、內部冰層界面的主要方法。盡管上述方法能夠保證處理結果的可靠性和準確性, 比如, 能夠將冰厚、冰下地形高程和內部冰層埋深的誤差控制在數十米之內, 但是效率極低。為解決這一問題, 近年來, 國際上利用神經網絡、機器學習等新方法, 開展了大量的研究, 并且建立了北極格陵蘭冰蓋內部冰層分布的數據產品。然而, 在南極, 由于冰雷達系統和處理方法存在差異, 仍然缺少有效、可靠的方法。除了冰巖界面、內部冰層界面的追蹤和提取, 神經網絡、機器學習還被廣泛用于極地冰蓋高分辨率冰下地形高程模型的構建以及冰底特征冰層、冰裂隙等的自動識別和檢測。神經網絡、機器學習可以充分挖掘海量冰雷達數據中冰面以下冰體的結構和屬性特征, 在極地雷達冰川學領域, 具有廣泛的應用前景。但是, 缺少可用的冰雷達數據集, 缺少高網格分辨率的觀測數據, 是深入應用神經網絡、機器學習等方法的挑戰。

3 其他意見和建議

雷達冰川學前沿技術和方法的研發是科學應用與研究的基礎。極地冰蓋的不穩定性和物質平衡、冰川加速退縮、極地海冰快速變化等科學研究前沿, 我國南極考察活動安全保障、南極冰下基礎測繪、地質環境調查等國家需求, 都是雷達冰川學的重要研究和應用方向。需要針對上述方向, 發展譜系化的觀測技術和數據分析方法。

冰雷達和觀測平臺技術的研發, 新的數據分析方法的提出與發展, 都離不開極地現場的觀測試驗和驗證。因此, 加強已有觀測數據的共享和信息挖掘, 加強與其他領域極地考察任務的協作, 是非常必要的。此外, 建立模擬極地冰蓋冰層和冰底環境的實驗室, 開展模擬和仿真研究, 從而建立冰雷達數據結果與冰內介電屬性和冰底環境屬性的表征關系, 也非常重要。

當前, 國內極地雷達冰川學的研究力量還相對薄弱, 加強與地球物理、衛星遙感、電子信息、信號處理、人工智能等領域研究力量的合作, 聯合培養博士和碩士研究生, 是強化雷達冰川學研究力量和人才培養的優先途徑。