極地冰雪探測冰雷達技術發展回顧與展望

邢治瑞 稂時楠 趙博 竇銀科 肖鵬 李霖 孫波 崔祥斌,6

(1 中國極地研究中心(中國極地研究所), 上海 200136;2 太原理工大學電氣與動力工程學院, 山西 太原 030024;3 北京工業大學信息學部, 北京 100124;4 中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094;5 中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室, 北京 100094;6 浙江大學極地觀測技術與裝備工程中心, 浙江 舟山 316000)

0 引言

極地冰蓋保存了高精度、高分辨率的古環境和古氣候記錄, 是研究全球氣候過去、現在與未來演化的重要載體[1]。極地冰蓋的物質平衡和不穩定性及其對全球海平面的潛在影響[2], 是當前全球氣候變化和地球系統科學研究的前沿熱點。極地海冰是海洋-大氣交互系統的重要組成部分,與全球氣候系統間存在靈敏的響應和反饋機制[3],對兩極地區海冰的遙感監測研究有助于分析海冰對區域和全球氣候的近期和長期影響[4-5]。上述都是當前極地科學和全球氣候變化研究的前沿熱點,不過, 由于缺乏足夠的冰表面以下的觀測數據以及建立在觀測數據上的對關鍵物理機制和過程的認知[6], 相關研究也存在巨大的挑戰。

冰雷達是1 種用于極地冰蓋、海冰及其上覆積雪探測的地球物理觀測技術。冰雷達技術基于特定頻段的電磁波在冰雪內的良好“穿透性”, 通過發射電磁波并接收信號在冰雪介質中介電不連續位置的回波[7], 從而探測和刻畫冰巖界面以及冰雪內部層位和結構等特征。通過定量分析雷達回波的延時、能量、相位、信號特征等, 可以精確測繪極地冰蓋、海冰及其上覆積雪的厚度、冰下地形、冰底環境和內部結構等。冰雷達觀測結果為研究極地冰蓋物質平衡、動力學和不穩定性,重建冰蓋歷史演化、古氣候和古環境信息, 揭示海冰厚度及其生消過程提供了重要依據[8]。相較于地震、重力等其他地球物理方法和冰蓋鉆探等技術手段, 冰雷達具有數據分辨率高、信息量大和觀測效率高等優點。目前, 人類對極地冰蓋厚度、冰下地形地貌、冰下湖和水文系統等的認識,主要依靠冰雷達技術的觀測應用和數據研究[9-11]。這些信息為極地冰蓋及其對全球氣候變化影響的評估和預測研究提供了重要的參數、初始條件、邊界條件和約束條件。不過, 由于觀測數據時空分辨率的不足, 以及部分關鍵區域觀測數據的缺失, 現有模型對極地冰蓋不穩定性及其全球海平面貢獻的評估預測結果仍存在較大的不確定性[12], 而不同模型結果之間的一致性也較差。因此, 發展性能更強且適用于更廣泛科學目標觀測需求的冰雷達技術, 加強冰雷達在極地的觀測應用, 成為全球氣候變化研究的迫切需求。

上世紀50 年代, 飛機雷達高度計在極地冰蓋上空讀數異常的現象使得科學家偶然意識到電磁波能夠很好地“穿透”冰蓋[13]。隨后, 出現了以測量冰蓋厚度、探測冰下地形為主要目的的早期冰雷達系統。在此期間, 科學家逐漸發現冰雷達還可以用于探測冰下湖, 識別冰蓋內部冰層。隨著冰雷達用于極地冰蓋探測研究內容的拓展與深入, 以及相應衛星導航定位、計算機、電子信息、信號處理等技術的快速發展, 冰雷達的種類也在不斷豐富, 性能得到快速提升[13]。通常, 按探測目標深度, 冰雷達可分為深部探測冰雷達和淺表層探測冰雷達。前者的主要作用是探測極地冰蓋的厚度和冰下地形、深部冰層結構、冰下水和冰下湖的分布等; 后者的主要作用是探測極地冰蓋淺部冰雪層分布、海冰及其上覆雪層的厚度[14]。此外, 根據搭載平臺不同, 冰雷達也可分為地面、機載和星載3 種(圖1)。地面冰雷達的探測深度、準確性和定位精度較高, 而且測線網格間隔可以設計得很小, 適合冰蓋局部精細化和強化探測;不過, 受冰雪面條件限制, 地面觀測到達能力不強, 且覆蓋面積相對有限。機載冰雷達的探測效率高、到達能力強、覆蓋面積大, 并且可以搭載多型冰雷達開展同步觀測, 適用于極地冰蓋和海冰的大范圍、多樣化調查, 是迄今為止應用最為廣泛的冰雷達探測方法(各國近年來常用的航空平臺見圖2)。不過, 大范圍的機載冰雷達調查對后勤保障的要求較高, 具有一定的挑戰性。星載冰雷達目前主要用于地外冰體的搜尋和探測研究,受地球電離層、系統尺寸和功耗多方面因素的制約, 尚未出現用于地球極地冰蓋深部探測的星載冰雷達系統。

2009 年, 崔祥斌等[13]對極地冰蓋探測冰雷達技術的發展歷程進行了回顧總結, 概述了國際上用于極地冰蓋探測的主要冰雷達系統及其性能參數, 但是文章內容主要以2010 年以前的深部探測冰雷達技術為主。近年來, 面向新的觀測和研究需要, 一批具有高性能、低損耗, 且針對性更強的新型冰雷達技術開始被用于極地冰蓋、海冰及其上覆積雪的探測; 顛覆傳統技術的新概念冰雷達技術也被提了出來。例如, 為了規避傳統主動探測冰雷達高成本和高功耗的缺點, 利用環境無線電作為探測波的無源被動雷達[15], 以及可以用于極地冰蓋深部探測的星載冰雷達技術。

本文在前人工作[13]的基礎上, 重點從極地冰蓋深部探測、極地冰蓋和海冰淺表層探測以及新型極地冰雪探測3 個方面, 綜合評述了國際和國內最新的冰雷達技術發展。其中, 極地冰蓋深部探測冰雷達技術能夠穿透極地冰蓋大部分區域(探測深度至少達到極地冰蓋平均厚度2 km); 極地冰蓋和海冰淺表層探測冰雷達技術以高垂向分辨率探測為主要目標, 探測深度通常小于1 km;新型極地冰雪探測冰雷達技術主要是指探測方式和理念有突破性創新的冰雷達技術。最后, 本文對未來冰雷達技術的發展方向進行了預測和展望。

1 極地冰蓋深部探測冰雷達技術

冰厚和冰下地形是極地冰蓋的基本特征, 但是, 在冰雷達技術出現之前, 人類對極地冰蓋冰厚和冰下地形的認識幾乎是空白。因此, 早期冰雷達系統都是以極地冰蓋深部探測為目標的。20世紀50年代, 人類第一次發現電磁波在極地冰蓋內部的強穿透性(弱衰減性)。隨后, 研制基于電磁波理論, 可以測量極地冰蓋厚度的冰雷達系統被提上日程。1960年, 英國劍橋大學研制出世界上第一臺冰雷達(SPRI Mark )Ⅰ。之后, 美國陸軍電子實驗室(U.S. Army Electronic Laboratory, USAEL)、俄羅斯(蘇聯)南北極科學研究所(Arctic and Antarctic Research Institute, AARI)等研究機構相繼開始研制和使用各種極地冰蓋深部探測冰雷達系統。期間, 冰雷達的改進升級也主要以提升探測深度為主, 其中, SPRI Mark Ⅰ在野外測試的基礎上, 先后升級為SPRI Mark Ⅱ— Ⅴ, 主要在發射機功率和自動記錄方面進行了重大改進, 并成功用于格陵蘭和南極冰蓋的探測。1967年, AARI 設計并研制出該國首套深部探測冰雷達系統RLS-60-67, 工作頻率為60 MHz, 發射功率達到20 kW。RLS-60-67的后續改進版本有 RLS-60-74(1974 年) 、 RLS-60-98(1998 年) 和 RLS-60-06(2006年), 為了提升探測深度, 改進后系統的發射功率逐步提高到60 kW 和80 kW。2013年, 俄羅斯研制了一款新的冰雷達系統PLK-130, 工作頻率130 MHz, 帶寬15 MHz, 但發射功率降低到0.2 kW。2015年1月, PLK-130被用于南極蘭伯特冰川(Lambert Glacier)的冰厚和冰下地形探測[16]。

早期極地冰蓋深部探測冰雷達的研制主要集中在20 世紀60 年代至80 年代, 這一時期的冰雷達中心頻率低, 繼而垂向分辨率較低, 但是探測深度大, 可以穿透整個極地冰蓋探測到冰蓋和基巖的交界面, 從而滿足測量冰蓋厚度和計算冰下地形高程的需求。上世紀80 年代后, 隨著計算機、電子信息和數字信號處理技術的發展, 冰雷達的性能也得到了顯著的提升, 而衛星導航和定位技術的出現, 極大地提升了地面和航空冰雷達探測的精度。這一時期, 美國、蘇聯(俄羅斯)、英國、德國、日本和丹麥等國家相繼研制出各自的冰蓋探測冰雷達系統[13]。

進入21 世紀以后, 在極地冰蓋深部探測冰雷達技術發展和系統研制方面, 以美國堪薩斯大學最為突出, 其研制的冰蓋深部探測冰雷達系統,具有多通道、強探測能力和高垂向分辨率等優點。2005 年, 堪薩斯大學專門成立了冰蓋遙感觀測中心(Center for Remote Sensing of Ice Sheet, CRe-SIS), 研制開發了頻率范圍覆蓋14 MHz～38 GHz 的一系列冰雷達系統, 主要包括雷達測深儀(Radar Depth Sounder, RDS)、積累率雷達(Accumulation Radar)、雪雷達(Snow Radar)和雷達高度計(Radar Altimeter)4 個序列。其中, RDS 屬于深部探測冰雷達系統序列, 其他3 種則屬于冰蓋淺表層探測冰雷達。RDS 的工作頻率介于14～600 MHz 之間, 最大探測深度能夠達到5000 m[17]。RDS 的升級型號Multi-channel Coherent Radar Depth Sounder(MCoRDS), 被用于了第四次國際極地年期間美國和英國主導的南極甘伯采夫山脈(Antarctic’s Gamburtsev Province, AGAP)國際合作計劃[13,18]。2009 年, 美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)牽頭發起了迄今以來規模最龐大的極地冰蓋航空觀測計劃——冰橋計劃(Operation IceBridge, OIB)[19]。OIB 于2020年結束, 歷經10 余年, 應用于各類飛機平臺(圖2),搭載RDS 改進型——多個型號的多通道相干深部探測/成像冰雷達系統(Multi-channel Coherent Radar Depth Sounder/Imager, MCoRDS/I)(表1 為MCoRDS/I 的不同型號及其性能參數), 對北極格陵蘭冰蓋和南極冰蓋開展了大范圍、詳細的航空探測[19]。CReSIS 研制的MCoRDS/I 是目前國際上最先進的極地冰蓋深部探測冰雷達系統, 該系統工作頻率位于甚高頻(VHF)頻段, 不同型號雷達的帶寬不同, 其多通道觀測能力, 一方面可以有效壓制噪聲對冰巖界面位置弱反射信號的干擾,另一方面也為兼顧冰蓋深部探測和淺表層高分辨率探測提供了技術解決方案[20]。目前, 德國的Polar 5 和Polar 6 兩個極地科考航空平臺也是搭載了MCoRDS/I。

除了CReSIS 的RDS 系列深部探測航空冰雷達系統, 美國德克薩斯大學地球物理學中心(University of Texas, Institute for Geophysics,UTIG)研發和維護的高性能航空冰雷達(High Capability Airborne Radar Sounder, HiCARS)是另一常用于極地冰蓋深部探測的冰雷達系統, 其工作頻率介于52.5～67.5 MHz, 中心頻率60 MHz,帶寬15 MHz。HiCARS 具有高增益和低增益兩個通道, 可以同時滿足冰蓋深部和淺表層高分辨率探測需求, 其垂向分辨率約為10 m, 對冰蓋深部探測能力接近5000 m[21-22]。近幾年, HiCARS 被UTIG 改進更新為HiCARS 2 和全相位多頻航空冰雷達(Multifrequency Airborne Radar Sounder with Full-phase Assessment, MARFA)。HiCARS 2在全面繼承HiCARS 探測技術的基礎上, 垂向分辨率達到了 5.6 m(純冰)和 9.5 m(干雪)[23]。MARFA 使用兩個發射和接收開關, 采用低噪聲放大器系統, 并增加1 個數字化模塊, 允許對每個天線(兩個偶極子天線陣列)的回波進行單獨記錄。在格陵蘭島博多因冰川(Bowdoin Glacier)的現場探測中, MARFA 的沿測線和垂向分辨率分別為15 m 和5 m[24]。

2010—2011 年夏天, 英國南極調查局(British Antarctic Survey, BAS)在南極中心冰流和米勒冰流調查計劃(Institute and M?ller Antarctic Funding Initiative, IMAFI)中使用了1 套航空極化測量冰雷達系統(Polarimetric Airborne Survey Instrument,PASIN)。PASIN 的中心頻率為150 MHz, 帶寬為12 MHz, 峰值功率為4 kW, 具有312.5 Hz 的脈沖編碼波形采集速率。PASIN 可以交替發射脈沖和線性調頻信號, 其中, 脈沖信號數據主要用于冰蓋中內部冰層的成像, 而能量更強的線性調頻信號則用于探測冰蓋深部冰層和冰下基巖面。PASIN 使用匹配濾波器對脈沖進行壓縮, 采用欠奈奎斯特(Sub-Nyquist)采樣技術對接收到的后向散射信號進行數字化和采樣。在IMAFI 計劃南極現場觀測中, PASIN 安裝于雙水獺(Twin Otter)飛機上, 系統由8 個折疊偶極子天線單元組成, 其中4 個折疊偶極子天線單元安裝在左舷翼下面用于發射信號, 另外4 個天線單元安裝在右舷翼下面用于接收信號[25-27], 共完成2.5×104km航空測線[28]。

由于冰雷達在極地冰蓋注出冰川和暖冰區的信號衰減非常嚴重, 常常導致無法探測到冰下基巖面。針對這一問題, NASA 在冰凍圈科學計劃(Cryospheric Science Program)中研制了1 款波長達10 m 的機載深部探測冰雷達——暖冰探測器(Warm Ice Sounding Explorer, WISE), 用于探測這些區域的冰厚和冰下地形。WISE 借鑒了火星快車航天器上的Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding (MARSIS )

行星探測儀的方式, 以2.5 MHz 的中心頻率工作,并使用傳統的 GPS 導航, 配有單極子天線。2008—2010 年, 在格陵蘭冰蓋南部和東南極冰蓋進行的3 次探測試驗中, WISE 機載冰雷達成功探測到格陵蘭南部冰蓋冰厚, 證明了WISE 系統在電磁波高散射和高衰減的冰蓋邊緣暖冰區中測量冰厚的能力[29]。

極地冰蓋冰芯記錄可以為地球氣候變化研究提供不可替代的寶貴信息, 不過, 冰芯鉆探是1項極具挑戰且高成本的工作, 其中的鉆探選址非常關鍵, 而精細的冰雷達觀測結果可以為鉆探選址提供重要依據。高靈敏度、高分辨率的冰雷達探測可以提供冰蓋內部冰層結構、冰厚、冰下地形和冰底環境等重要數據, 為確定冰芯鉆孔最佳位置提供依據[30]。為此, 美國通過與日本、挪威合作研制了1 款小型、多通道、寬帶VHF 冰雷達系統, 其工作頻率為170～230 MHz。該冰雷達系統被安裝在日本南極科學考察隊(Japanese Antarctic Research Expedition, JARE)的履帶式雪地車輛上, 在2018 年11 月—2019 年1 月期間, 對南極冰穹 F 進行了探測。結果顯示, 該冰雷達探測到了以前未能探測到的冰蓋深部內部冰層,為認識冰蓋底部冰層特征、評估其埋深-年代關系, 進而尋找超過百萬年深冰芯鉆探理想位置提供了重要信息[31]。2019 年, 東格陵蘭冰蓋深冰芯鉆探計劃(East Greenland Ice-coring Project,EGRIP)使用了三型地面多通道冰雷達, 成功探測到了超過2.7 km 深的冰蓋底部冰層以及冰下水層, 而內部冰層的垂向分辨率優于60 cm。這三型地面多通道冰雷達系統分別屬于VHF、超寬帶(Ultrawideband, UWB)、超高頻(UHF)雷達, 由哥本哈根大學牽頭研制。三型雷達共享相同的數字波形發生器和數字信號發生器, 安裝在雪地車上進行觀測, 并采用3 種不同的天線陣列, 在3個子波段(170～230 MHz、180～340 MHz 和600～900 MHz)上運行[32]。相較于航空冰雷達探測, 地面冰雷達探測移動速度慢, 可以在保證沿測線數據分辨率的基礎上得到一定數量級的可疊加信號,從而提高冰蓋內部層和冰巖界面回波信號的信噪比[32]。此外, 這三型冰雷達還具有多極化探測的能力, 可以用于分析冰晶組構等影響冰體介電常數的重要信息[32]。

相較于國外, 我國應用深部探測冰雷達開展極地冰蓋測繪起步較晚。中國第21 次南極科學考察期間(2004—2005 年), 首次沿南極中山站至冰穹A 內陸冰蓋考察斷面開展車載冰雷達探測[33]。中國第24 次南極科學考察期間(2007—2008 年), 進一步對冰穹A 開展極高空間分辨率的強化觀測[34]。上述冰雷達探測的主要目標是測繪冰穹A 區域的冰厚和冰下地形, 從而為研究南極冰蓋以及冰下甘伯采夫山脈的形成和早期演化提供依據[35], 并且尋找深冰芯鉆探的最佳位置[36]。兩次考察所使用的冰蓋深部探測冰雷達系統均由日本國立極地研究所(National Institute of Polar Research, NIPR)研制[37]。2010 年以前, 中國在深部探測冰雷達系統研制方面一直都是空白。之后, 在國家863 計劃項目資助下, 中國極地研究中心聯合原中國科學院電子學研究所開始了冰雷達技術和硬件系統的研制開發。第28 次南極科學考察期間(2011—2012年), 中國自主研制的高分辨率極地冰蓋深部探測冰雷達系統(High-Resolution Ice-Sounding Radar, HRISR)完成了對南極冰蓋的首次探測試驗, 探測深度超過2500 m。HRISR 的中心頻率為150 MHz, 帶寬為 100 MHz, 垂向分辨率達到0.75 m, 可在探測冰蓋深部的同時, 對冰蓋上部小于2 km 的內部層進行高分辨率成像[38]。該雷達系統經過進一步的改進和完善, 于第29 次南極科學考察期間(2012—2013 年)被用于內陸冰蓋考察斷面和冰穹A 區域的冰厚和冰下地形測繪。測量結果顯示, 新一代的HRISR 探測深度超過3500 m,標志著中國第一次掌握了極地冰蓋深部探測冰雷達系統的研發技術[39]。

2 極地冰蓋和海冰淺表層探測冰雷達技術

不同于深部探測冰雷達, 極地冰蓋和海冰淺表層探測冰雷達對探測深度沒有過高要求, 主要用于高分辨率測繪極地冰蓋淺層結構以及海冰和上覆積雪的厚度, 進而研究冰蓋表面物質平衡、古積累率的時空變化以及海冰的生消等。淺表層探測冰雷達和深部探測冰雷達的主要原理基本一致, 但為提升探測垂向分辨率和精度, 通常工作頻率更高。目前, 用于極地冰蓋淺表層冰雪探測的冰雷達以調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)冰雷達為主。FMCW 冰雷達屬于連續波(Continuous Wave, CW)雷達, CW雷達按發射信號的形式可分為非調制連續波(單頻或多頻)雷達和調頻連續波雷達。FMCW 雷達結構簡單、發射功率低, 具有極高的距離向分辨率, 被廣泛用于極地冰蓋和海冰淺表層冰雪探測。

CReSIS 是極地冰蓋和海冰淺表層冰雪探測冰雷達研制的代表機構, 其研制的積累率雷達、雪雷達和雷達高度計均可歸為淺表層探測冰雷達。積累率雷達是1 種UHF 雷達, 目前的工作頻率是600～900 MHz[40], 其探測深度可達1 km; 雪雷達的工作頻率范圍可達2～8 GHz, 甚至是2～18 GHz, 可以厘米級的垂向分辨率對冰蓋表面雪層和海冰上覆積雪的厚度進行大范圍測量, 最大探測深度為40 m; 雷達高度計的工作頻率分為12～18 GHz(Ku 波段)和32～38 GHz(Ka 波段), 探測深度分別達到10 m 和2 m, 主要用于測量表層積雪[17,41]。CReSIS 研制的積累率雷達和雪雷達均是FMCW 雷達, 主要搭載在飛機平臺上。機載淺表層探測冰雷達系統被用于北極格陵蘭冰蓋內部層探測, 在格陵蘭冰蓋干雪區域的最大探測深度為200 m, 在有融水滲浸的區域為120 m, 在消融帶為20 m, 與冰芯同位素分析得到的內部層數據誤差為±1.5 m。CReSIS 也研制了搭載于雪地車平臺的地面UHF 超寬帶淺表層探測冰雷達系統, 工作頻率范圍為 500～2000 MHz, 冰內分辨率為0.1 m。地面淺表層探測冰雷達系統在格陵蘭冰蓋深冰芯鉆探區域的探測深度達到200 m, 而通過雷達數據重建的古積累率與雪坑測量的積累率的誤差在5%以內[42-43]。

雪深是反演積雪水當量的重要參數。為了高精度、大范圍地測量極區干雪深度, 幫助測定積雪水當量, Kim 等[44]于2017 年研制出1 款小型積雪遙感雷達(工作頻率14～16 GHz), 該雷達可兼容安裝于低空飛機平臺上, 對冰蓋和海冰上的雪層進行探測。該小型積雪遙感雷達初步在美國猛犸山進行了測試試驗, 被安裝于雪塔軌道上對地面雪厚進行監測, 結果與同步的超聲波儀器探測結果具有很好的一致性[44]。在加拿大自然科學與工程研究委員會(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, NSERC)的資助下,謝布魯克大學(Université de Sherbrooke, UdeS)研制了1 套輕量級、緊湊型的FMCW 淺表層冰雷達系統(工作頻率24 GHz)。該系統利用新一代低成本、低功耗供應單元, 可用于測量淡水冰厚度和雪深, 進而對極區的冰雪特性進行監測[44]。2018年, Pomerleau 等[45]使用該雷達連續監測東南極冰穹C 區域的地表積雪密度, 并成功實現了對埋深30 cm 以上雪層密度的自動追蹤和計算。

傳統的地面和航空冰雷達觀測極易受冰雪面條件、天氣、后勤保障等多種因素的影響, 且費用較高。因此, 發展無人機平臺搭載的冰雷達探測技術具有巨大潛力。目前, 無人機搭載便攜式FMCW 冰雷達已經可用于高效、連續且無接觸地探測極地冰蓋和海冰淺表層。便攜式FMCW 可集成安裝在小型無人機上, 在手動遙控操作模式下,實現對極地冰蓋和海冰及其上覆積雪厚度的低空飛行測量, 很好地克服了地面觀測很難抵達且安全風險較大的問題, 并顯著提升了觀測效率[46-48]。無人機載冰雷達擁有較強的環境適應性和觀測能力, 已成為1 種高效、可靠且具有較高安全性的探測技術, 但如何在高增益和高帶寬的基礎上實現冰雷達系統的輕量化、小型化, 目前仍是非常大的挑戰。此外, 天線屏蔽性和距離模糊也是制約無人機載FMCW 雷達性能的重要因素。為了解決這些問題, Jenssen 和Jacobsen[49]研制了1 款專為無人機設計、用來測量積雪特性的超寬帶雷達—— UWiBass。初代UWiBass 在經過更新后, 天線系統改進為2 軸角度調節機構, 提高了雷達天線在移動時的穩定性, 而系統帶寬由0.95～6 GHz降低到0.7～4.5 GHz, 進一步增強了雷達系統對冰雪的穿透能力[49]。

我國在極地冰蓋、海冰淺表層探測冰雷達技術的研究和應用方面仍處于起步階段。中國第32次南極科學考察(2015—2016年)期間, 首次將中國極地研究中心與原中國科學院電子學研究所聯合研制的車載超高分辨率FMCW 雷達系統用于中山站至冰穹A 內陸考察斷面冰蓋淺層探測(圖3)。該FMCW 雷達的工作頻率為500～2000 MHz, 帶寬為1.5 GHz, 峰值功率為2 W, 脈沖寬度4 ms,采樣頻率6.25 MHz, 采用vivaldi 天線, 其冰內探測垂向分辨率可以達到10 cm, 探測深度在200 m以內。Guo 等[50]按照海拔快速上升區、平坦冰蓋區、軟雪帶、冰裂隙區等對斷面進行劃分, 結合FMCW 雷達觀測數據和淺冰芯記錄, 對過去表面物質平衡的時空變化進行了分析研究[51]。中國第33 次南極科學考察期間(2016—2017 年), 科考人員再次使用該雷達系統對東南極冰蓋進行了補充及重復探測[52], 旨在完善冰穹A 等關鍵區域的冰蓋淺層冰層分布特征, 從而進一步揭示東南極冰蓋等時層分布, 為冰蓋表面物質平衡的評估和預測研究提供依據。

圖3 我國自主研制的車載FMCW 冰雷達應用于南極冰蓋觀測Fig.3. The vehicle-mounted FMCW radar developed by China applied to detect the Antarctic Ice Sheet

3 新型極地冰雪探測冰雷達技術

相較于傳統的極地冰雪深部和淺表層探測冰雷達, 新型極地冰雪探測冰雷達技術在探測方式和理念上均有突破性創新, 具體包括相敏冰雷達(phase-sensitive Radio Echo Sounder, pRES)、適應各類飛行平臺的冰雷達系統包、固定式變化遠程監測冰雷達等已得到應用驗證的冰雷達技術, 以及仍處于方案探索或理論驗證的星載和無源被動探測冰雷達技術。

21 世紀以來, 相敏冰雷達被廣泛用于測量極地冰蓋的垂直應變率、壓實率以及冰架和冰川的底部融化速率, 為冰流動力學和冰架物質平衡研究提供了高精度的冰體垂向變化信息[53-54]。相敏冰雷達主要通過地面定點的長期測量來記錄并推算冰蓋內部層和底部界面回波信號的相位變化,進而來精確測量冰體厚度的變化。2002 年, 英國南極局研發了1 款基于矢量網絡分析儀的步進頻率相敏雷達(工作頻率305 MHz, 帶寬160 MHz),并用于George VI 冰架厚度的變化監測及其冰底融化率的計算, 其理論上的冰厚變化觀測分辨率達到 0.75 mm[55]。隨后, 該相敏雷達被升級為Autonomous pRES (ApRES)。ApRES 是1 種小重量、低成本的相敏FMCW 冰雷達, 在保持原來步進頻率相敏雷達性能的同時, 不僅可以實現高精度的極地冰架/冰川厚度變化自動監測, 而且探測靈敏度更高、極區適應性和可操作性更強[56]。ApRES 先后被用于南極羅斯冰架(Ross Ice Shelf)、松島冰川(Pine Island Glacier)和冰穹C 的冰厚變化監測試驗。羅斯冰架的試驗(2010—2011年)證明了ApRES 系統具備在無人值守情況下實現1 年以上長期監測冰架厚度變化的能力, 松島冰川和冰穹C 的試驗(2013—2014 年)則以冰蓋探測為主, 成功觀測到埋深超過1 km 的冰蓋內部層變化。通過上述試驗, 充分驗證了ApRES 系統的環境適應性、穩定性及其性能[57]。

2013 年, 為實現極地冰蓋和海冰的多樣化探測和成像, Rodriguez-Morales 等[58]提出1 種可搭載于不同飛機平臺的通用冰雷達系統包。冰雷達系統包集成了工作頻率從最低的160 MHz 到最高的18 GHz 的四型冰雷達系統及其配套天線, 能夠滿足極地冰蓋、冰架、冰蓋邊緣注出冰川以及海冰等不同類型冰雪介質的同步觀測需求。這四型冰雷達系統與上文提到的CReSIS 研制的單型深部探測冰雷達、淺表層探測冰雷達系統基本一致[59-60], 其詳細名稱、性能參數和觀測目標見表2。冰雷達系統包能被集成到包括雙水獺、DC-8、P-3 等多型極地常用航空平臺上, 并已多次用于南極和格陵蘭冰蓋的現場觀測, 實現了極地冰蓋的冰厚、冰下地形、不同深度內部層、表面地形以及海冰及其上覆雪厚的同步高精度觀測[58]。Rodriguez-Morales 等[58]指出, 未來將進一步提升該系統包性能, 提高發射信號能量, 改進校準規程, 實現所有傳感器的自動化觀測和小型化設計, 滿足無人機平臺的搭載需求, 并允許根據地理位置和飛行高度自動調整參數設置, 從而實現對極區更為廣泛的高效觀測。

表2 通用冰雷達系統包中四型冰雷達的性能參數[58]Table 2. Performances of ice radars in the radar package[58]

為了滿足極區不同類型冰川探測的需要,Mingo 等[61]設計研制出1 款固定式冰雷達(Stationary Ice-penetrating Radar, sIPR), 適用于極地從溫冰川到寒冷冰架的遠程變化監測。sIPR 在現有脈沖雷達的基礎上, 增加了光纖鏈路、控制脈沖發射的定時模塊, 還加裝了微型不間斷電源和衛星數據通訊模塊, 以實現設備在寒冷地帶的自動觀測和數據傳輸。與寒冷的冰蓋/冰川不同, 溫冰川會導致電磁波信號的強烈衰減和散射損失, 而sIPR較低的工作頻率(5～20 MHz)能夠保證信號有足夠的穿透深度, 并監測溫冰川的快速變化。2014—2017 年, sIPR 被分別用于加拿大的卡斯卡沃爾什冰川(Kaskawulsh Glacier)和格陵蘭彼得曼冰川(Petermann Glacier)的監測。前者在無人監管的情況下自主運行, 所測數據揭示了冰川堰塞湖附近的冰層變化特征; 后者自主運行近1 年, 成功監測到冰川厚度的變化, 并經數據分析后提取了內部層位的變化信息。兩次現場試驗證明了sIPR 在不同冰川類型下良好的適應性和自動觀測能力。

盡管通過地面和機載冰雷達探測已經獲取了非常豐富的極地冰蓋觀測數據, 但由于極區位置遙遠、環境惡劣, 極大限制了地面和航空平臺的運行范圍和時間, 導致現有的測線網格空間分辨率較低, 且分布很不均勻。因此, 近年來, 國際上提出了可實現對地球表面進行大范圍、短周期、均一化、重復觀測的星載冰雷達技術。星載冰雷達發射的電磁波信號, 能夠穿透大氣、云層和雨水, 但是受地球電離層的影響較嚴重, 解決冰蓋深部探測能力與天線尺寸、系統功耗之間矛盾和提高交軌向數據空間分辨率的挑戰很大。2020 年,中國空間技術研究院提出了1 種天基極地冰蓋觀測技術(Tomographic Observation of Polar Ice Sheets, TOPIS)概念, 用來對極地冰蓋進行高分辨率立體觀測(圖4)[62]。TOPIS 由主衛星與帶有偶極子天線的立方星群組成, 形成了1 個大尺寸交軌基線, 配合順軌向合成孔徑技術實現空間二維高分辨率成像; 同時, 采用單發多收(SIMO)和模擬轉發(MirrorSAR)體制來降低制造成本。TOPIS設計通過高發射功率和大天線增益實現對幾千米厚的極地冰蓋進行深部探測。模擬結果表明,TOPIS 可以實現100 m×20 m×5 m 的三維分辨率,并能夠補償65 dB 的冰蓋內部衰減, 實現3.5 dB的探測靈敏度[63-64]。2022 年, 中國空間技術研究院進一步完善自主的天基冰雷達觀測技術方案,通過分布式星群編隊突破傳統菲涅爾分辨極限,進而實現高空間分辨率的冰蓋深部探測以及冰蓋表面融化、內部結構、冰底水文環境的三維動態監測, 以滿足極地冰蓋幾何特征、動態變化和物質平衡研究的需求[65]。同期, 國際上數個科研機構開始探索使用天基平臺對極地冰蓋進行季節尺度觀測, 以彌補目前極地冰蓋科學研究數據的不足[66]。2018 年, Gogineni 等[31]提出使用立方體雷達衛星系統(由50 顆衛星組成)探測極地冰蓋的初步概念, 計劃未來應用于南極洲冰蓋高分辨率、大范圍尺度的監測。2019 年, Carrer等[67]提出 1 種分布式雷達探測系統的新概念,旨在提高星載雷達在探測過程中的信噪比和跨軌分辨率, 解決無線電衰減和大范圍雜波的問題。利用天基平臺搭載低頻冰雷達對極地冰蓋進行觀測, 可充分發揮天基微波遙感全天時、全天候、高重訪觀測優勢, 最大限度地降低極地惡劣天氣環境對探測過程的影響。此外, 天基冰雷達技術生存能力強、探測覆蓋面積大, 能夠對傳統地面觀測的盲區進行觀測。不過, 受制于低頻電磁波在電離層、大氣層、冰層內傳播的復雜性和作用距離的大幅增加[65], 目前天基冰雷達探測尚處于方案探索階段。

圖4 TOPIS 系統[62]。a)跨軌道多靜態雷達實現的長基線, B⊥為最大交叉軌道基線, RH 為衛星距地高度, φ 為觀測角度; b)衛星軌道Fig.4. System of TOPIS[62]. a) long baseline realized by cross-track multistatic radar, B⊥ is the maximum cross-track baseline,RH is the height from satellite to groun, φ is the observation angle; b) orbits of the satellites

雖然上文提到的主動探測冰雷達是觀測格陵蘭和南極冰蓋的主要遙感技術, 但是要實現在空間和時間尺度上的高分辨率冰蓋觀測和變化監測,對成本、能源和后勤保障方面的需求很高(特別是在探測任務資源極端有限的條件下)。與主動探測冰雷達系統需要發射無線電信號不同, 無源(被動)雷達是1 種利用環境無線電信號(比如全球定位系統GPS、地面數字視頻廣播和射電天文信號等)進行觀測的低消耗遙感技術手段, 其探測成本低、不易受極地惡劣環境的限制, 非常適用于大范圍的極地冰蓋探測[68]。被動探測冰雷達功耗和成本更低、對信號信噪比和分辨率的影響也更小, 不過, 地球極區很少有人造無線電信號源的存在, 因而被動探測冰雷達的發展目前主要聚焦于使用天文源無線電(如太陽和木星)作為輻射觀測的信號。2020 年, Peters[69]將太陽作為輻射觀測信號, 提出了1 種利用合成孔徑雷達(SAR)進行無線電被動探測的方法, 并在美國死亡谷(Death Valley)進行了試驗, 展示了該方法從谷底提取太陽回波延遲時間、振幅和相位的能力, 為后續被動探測雷達用于極地冰蓋大范圍、高保真的監測提供了技術基礎。2021 年, Peters[70]首次利用天文源無線電(太陽)對格陵蘭冰蓋的Store 冰川冰厚進行了被動探測(圖5), 最大探測深度達到1017 m,并且與ApRES 主動雷達和BedMachine v3[10]的冰厚測量結果十分吻合。作為傳統主動雷達探測儀的補充, 無源(被動)雷達能夠實現前所未有的大范圍空間尺度極地冰川探測和監測, 將大大提高探測的時空分辨率, 從而有效降低評估和預測冰蓋對海平面上升貢獻的不確定性。

圖5 無源被動探測冰雷達概念圖。a)冰蓋表面的無線電接收器RX 記錄太陽光直射路徑rd 和反射路徑rice, 無線電信號在冰層中的傳播會受到延遲和衰弱; b)將太陽直射信號(藍)與太陽回波信號(紅)間的延遲時間Δt 轉化為冰厚h[70]Fig.5. Conceptual diagram of passive detection ice radar. a) the radio receiver (RX) on the ice surface records the direct sunlight path (rd) and the reflection path (rice), and its signal propagation in the ice layer is delayed and attenuated; b)the delay time (Δt) between the direct solar signal (blue) and the echo signal of the sun (red) is transformed into ice thickness (h) [70]

4 總結和展望

自上世紀60 年代冰雷達系統被首次研制成功并用于極地冰蓋探測以來, 冰雷達技術的發展及其應用得到了長足的進步, 為極地冰蓋的幾何特征及其物質平衡和不穩定性研究, 以及歷史演化、古氣候古環境的重建, 提供了重要的基礎數據。憑借數據的高分辨率、高精度優勢, 以及強“穿透”性和相對較低的保障需求, 冰雷達是目前調查極地冰蓋厚度、冰下地形、內部結構以及冰底環境最有效的技術手段。隨著觀測研究的深入,冰雷達的性能得到了快速的提升, 而冰雷達系統的類型也逐漸多樣化——從最初以極地冰蓋深部探測為主要目標的深部探測冰雷達, 到現在的深部、淺層、表層、積雪探測以及通過相位變化來精確測定冰厚變化的各類冰雷達系統; 同時, 具備了多通道、多頻、多極化和不同系統同步觀測的能力。此外, 冰雷達不僅可以搭載于最初的固定翼飛機和雪地車平臺, 而且也能搭載于直升機、大型和小型無人機、地面機器人等平臺上, 而適用于衛星平臺的冰雷達技術也被提上日程。

現有的冰雷達都屬于主動探測類型, 即冰雷達系統需要發射特定頻段的電磁波信號。主動探測冰雷達的運行成本、能源消耗和后勤保障需求很高, 很難滿足高時空分辨率冰蓋觀測和變化監測。因此, 最近, 科學家提出了利用環境無線電信號進行觀測的無源(被動)雷達技術。目前, 被動探測冰雷達的發展主要聚焦于使用天文源無線電(如太陽和木星)作為輻射觀測的信號, 盡管有試驗結果表明其可行性, 但尚處于技術論證階段。

我國的極地冰蓋探測冰雷達技術研究起步較晚。2004 年中國第21 次南極科學考察, 首次引進日本的雙頻地面冰雷達系統, 用于中山站至冰穹A 的內陸冰蓋考察斷面探測。之后的中國第24次南極科學考察, 又在內陸考察中引進了日本的多極化冰雷達系統。2015 年, 我國南極考察首架固定翼飛機配置了美國的HiCARS 航空冰雷達系統。2010 年后, 我國逐步開始自主研制極地冰蓋深部探測和淺層FMCW 冰雷達系統, 兩套系統分別在中國28 次(2011—2012 年)和29 次(2012—2013 年)南極科學考察期間進行了現場試驗, 并多次用于南極冰蓋的探測。其中, 深部探測冰雷達系統 HRISR 探測深度超過 3500 m, 淺層FMCW 冰雷達冰內垂向分辨率達到10 cm。2020年以來, 中國空間技術研究院等單位共同提出了TOPIS 天基極地冰蓋觀測技術概念。TOPIS 計劃通過分布式星群編隊的方式實現高空間分辨率的冰蓋深部探測, 不過, 受電離層、地表雜波、雷達天線尺寸和功耗等多方面因素的制約, 天基冰雷達探測尚處于設計研制階段。

盡管經過60 多年的發展, 冰雷達的性能得到了全面的提升, 類型呈現多樣化, 但是隨著應用研究的深入, 圍繞極地冰蓋的全面、精細化探測,除了進一步提升探測深度和垂向分辨率外, 其他新的需求和挑戰也不斷出現?；诂F有冰雷達探測, 沿測線的數據分辨率已經達到米級, 甚至更高, 但在垂直測線方向, 數據分辨率主要依靠降低測線間距(大部分區域的測線間距超過了5 km),遠遠無法滿足冰底環境和過程研究的需要。因此,亟待發展能夠實現條帶測量的冰雷達技術。在極地冰蓋快速冰流區域、冰蓋邊緣裂隙發育區域和注出冰川區域, 由于雷達信號在冰蓋表面和內部衰減非常嚴重, 加上這些區域通常無法抵達, 地面觀測很難實現, 導致冰厚、冰下地形和冰底環境信息的嚴重缺失。因此, 研發基于有人機以及無人機平臺的適用于此類區域深部探測的冰雷達技術, 有助于提升我們對極地冰蓋的全面認識。未來, 依托大型和小型無人機平臺搭載冰雷達開展極地冰蓋、海冰和積雪的探測, 將是強化極地觀測的重要方向。不過, 冰雷達系統的小型和輕量化, 雷達天線與無人機平臺的耦合和適配, 系統功耗的降低等主要挑戰, 仍是制約無人機載冰雷達應用的關鍵因素。星載極地冰蓋深部探測冰雷達技術和無源(被動)冰雷達技術, 鑒于技術難度, 目前仍處于概念和方案的探索論證階段, 將是未來冰雷達技術發展的重要方向。