自然资源部极地科学重点实验室极地多圈层团队在航空冰雷达数据高质量成像算法研究方面取得新进展

       冰雷达是测绘冰盖冰厚、冰下地形和内部冰层(等时层)结构的最有效技术之一，被广泛用于极地冰盖冰下地形地貌、冰底环境和过程、冰盖演化和古气候研究，并形成了雷达冰川学（Radioglaciology）学科。冰雷达原始数据中包含各种噪声和干扰，需要经过一系列成像处理，从而将低信噪比、低分辨率和高杂波的原始数据转化为满足高质量成像的数据结果。聚焦合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像技术是目前应用于冰雷达数据处理的主要方法，可以有效提高雷达信号增益和成像分辨率。然而，现有聚焦SAR成像算法并未考虑原始数据的空间相关性，会导致成像结果间相关性偏低。事实上，利用成像结果的高空间相关性，能够帮助后续更好地追踪提取冰雷达剖面影像中的内部等时层，进而提高关联冰芯定年结果后的年代-深度关系的准确性。

       近日，自然资源部极地科学重点实验室极地多圈层相互作用与气候变化研究团队联合北京工业大学和中科院空天信息创新研究院，提出一种基于空间相关性的快速后向投影聚焦SAR冰雷达数据成像算法，解决了现有聚焦SAR成像算法中普遍存在的成像结果空间相关性偏低的问题。

      研究团队发现，冰雷达数据成像结果的空间相关性和聚焦SAR成像算法中选择的合成孔径长度存在一定的关系，而对低空间相关性的冰雷达数据进行长孔径聚焦会破坏成像结果的空间相关性。进一步的模拟点目标试验表明，最佳的合成孔径长度的分布呈指数分布与指数函数相结合的曲线（图1）。基于以上认识，结合研究团队之前发展的基于快速后向投影的超宽带冰雷达数据成像算法（稂时楠等，2022），提出了基于空间相关性的快速后向投影的成像算法（图2）。新算法的主要步骤包括：1）对接收信号数据进行距离匹配滤波以完成脉冲压缩；2）利用邻近距离向压缩数据计算分段线性积分相关核(Segmented Linear Integral Correlation Kernel, SLICK)相关系数；3）利用傅里叶变换特性对信号频域进行补零，以在距离向上对经过脉冲压缩的数据进行过采样；4）利用传统后向投影算法，对过采样数据进行处理得到子图像序列；5）利用前一步得到的一系列子图像获得高分辨率图像；6）对高分辨率图像进行非相干叠加获得最终的高分辨率图像。

图1 不同孔径长度的数据处理结果

图2 基于空间相关性的快速后向投影聚焦SAR成像算法流程图

        研究团队将新算法用于中国第33次南极科学考察（CHINARE 33）期间获取的航空冰雷达观测数据的处理，并从信噪比提升能力、计算时间和空间相关性提升能力 3个方面，与现有常用的时域多子孔径后向投影算法和层位优化SAR（Layer-Optimized SAR, LO-SAR）成像算法进行了结果对比（表1和图3）。新算法对两组冰雷达数据（T1T1′和T2T2′）的信噪比提升分别为19.5dB与26.5dB，与时域多子孔径后向投影算法和LO-SAR算法基本一致；计算时间方面，新算法的成像效率与时域多子孔径后向投影算法基本一致，但慢于LO-SAR算法（LO-SAR算法属于非聚焦SAR算法，会导致成像结果方位向分辨率较低）；空间相关性方面，新算法成像结果的空间相关系数均值为0.88和0.86，明显优于时域多子孔径后向投影算法，略优于LO-SAR算法。对比结果证明新算法能够在不降低信噪比提升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。

a) 本研究算法

b) 时域多子孔径后向投影算法

c) LO-SAR冰雷达成像处理算法

图3 中国第33次南极科学考察期间获取的航空冰雷达数据（T2T2′）处理结果

      目前, 用于极地冰盖探测的冰雷达系统主要由相关科研机构根据观测需求自主研制。国际上, 尚没有成熟的冰雷达数据处理方法和规范, 更没有形成统一的数据处理软件。2015年，我国首架南极科学考察固定翼飞机“雪鹰601”投入运营，之后，针对南极最大数据空白区伊丽莎白公主地，成功完成5个年度、近18万公里航空测量。研究团队持续致力于构建适用于“雪鹰601”机载冰雷达的数据处理分析方法体系，涵盖了数据现场处理、实时质量控制、后期深入处理和定量分析解译方法等，为数据的开放共享和南极雷达冰川学及其多学科交叉研究奠定了重要基础。该项成果是团队在航空冰雷达数据高质量成像研究领域取得的又一重要进展，有助于加强冰雷达数据用于极地冰盖冰芯年代评估和古积累率重建方面的研究。

      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。论文第一作者为北京工业大学与中国极地研究中心（中国极地研究所）联合培养硕士研究生许奔，通讯作者为中国极地研究中心（中国极地研究所）崔祥斌研究员。研究工作得到了国家自然科学基金项目（41941005，41941006，41606219，41776186）、上海科技发展基金项目（21ZR1469700）、北京市教委科研项目（KM201910005027）、北京工业大学国际合作种子基金和北京工业大学日新基金的支持。