调频连续波（FMCW）冰雷达具有体积小、重量轻、功耗低、距离分辨率高等突出优势，能够搭载于各类飞机和雪地车实现极地冰体分层界面特征的精细探测，被广泛用于冰盖降雪积累过程与演化和海冰厚度及其海-冰-气相互作用的研究，为揭示极地冰盖和海冰变化提供了重要技术方法。目前，FMCW冰雷达成像方法大致分为时域和频域两类。时域方法主要采用后向投影算法，可直接在时域内补偿雷达平台运动带来的误差，成像处理简单，但计算量大、处理效率低。频域方法通过利用快速傅里叶变换（FFT）将复杂的时域运算转化为高效的频域乘法运算，显著降低了计算复杂度，从根本上克服了时域算法效率低下的问题，成为FMCW冰雷达数据成像处理的主流选择。 ω-K算法和频率缩放算法是两种具有代表性的频域算法。ω-K算法因其在信号处理中未引入任何近似，理论上可达到极高的成像精度；然而，该算法为精确处理距离徙动（RCM）所必需的Stolt插值，计算量巨大，显著限制了其成像速度。频率缩放算法则通过引入频率缩放变换函数来补偿距离徙动，避免了耗时的Stolt插值，从而提升了成像速度；但其代价是引入了一定的近似处理，导致成像精度略低于ω-K算法。由于FMCW冰雷达探测产生的数据量极其庞大，即使是计算效率更高的频域算法，在处理速度和精度之间仍存在难以调和的矛盾或效率瓶颈。 因此，在实际应用中，必须寻求并采用更高效的聚焦成像技术，以进一步降低庞大数据带来的沉重计算负担。

      近日，中国极地研究中心（中国极地研究所）（以下简称为“极地中心”）极地冰雪与气候变化研究所联合北京工业大学、中国科学院空天信息创新研究院，首次提出一种适用于FMCW冰雷达数据成像处理的距离多普勒算法。该算法通过距离徙动校正和二次距离压缩，在成像精度与频率缩放算法相当的前提下，显著提高了运算速度和成像结果的信噪比。距离多普勒成像算法的流程主要包括（图1）：1）方位向快速傅里叶变换；2）残余视频相位校正；3）多普勒频移校正；4）二次距离相位压缩；5）距离徙动校正；6）方位压缩；7）方位向逆快速傅里叶变换。

      研究团队利用中国第33次中国南极科考（2016/17年度）期间采集的FMCW冰雷达测量数据，对距离多普勒算法在FMCW冰雷达数据成像处理中的实际效果进行了验证，并与频率缩放算法进行了对比。冰雷达数据剖面L1L1′和L2L2′均位于中山站附近的冰盖边缘区域，如图2所示。图3和图4分别显示了距离多普勒算法和频率缩放算法在剖面L1L1′和L2L2′的成像结果对比。试验表明，距离多普勒算法在图3和图4的处理时间为471.85秒和508.93秒，频率缩放算法在图3和图4的处理时间为597.41秒和647.01秒，距离多普勒算法在处理速度上有21.01% 和21.34%的提升。此外，成像结果显示，相较于频率缩放算法，利用距离多普勒算法处理后的冰雷达数据，冰盖内部反射界面更为清晰，对应红线位置的单道冰雷达数据的信噪比更高（新方法：25.60dB和28.97dB ；频率缩放算法：20.52dB和23.54dB），能够更好抑制成像处理过程中的噪声。因此，新方法将进一步提升FMCW冰雷达观测数据现场处理和质量控制的效率，同时提高冰体分层界面提取的精度和准确性，从而支撑冰盖降雪积累过程与演化、海冰厚度及其海-冰-气相互作用等科学前沿研究。

      研究成果在线发表于地球和遥感科学领域顶级期刊IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing上。论文通讯作者为极地中心崔祥斌研究员，第一作者为北京工业大学信息科学技术学院稂时楠教授。此外，来自北京工业大学、中科院空天信息创新研究院和极地中心的多名研究人员参与了相关研究工作。本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB3908003）以及国家自然科学基金（42376253）支持。

相关论文：

S. Lang, M. Xia, X. Cui*, Y. Liu, J. Zhu, J. Guo, L. Li, and X. Liu, FMCW ice sounding radar imaging based on the improved range-Doppler algorithm, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 63, pp. 1-9, 2025, doi: 10.1109/TGRS.2025.3564358.

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）