[发明专利]一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法

说明书

本发明公开了一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；将冰雪回波强度随时间变化的观测值，转换为冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值；根据冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值，确定冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布信息；获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；基于冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布，建立冰雪辐射亮温前向模型和回波强度前向模型；采用统计回归反演算法或者物理反演算法，得到冰雪内部状态分布数据。本发明改变了采用假设模型对冰雪内部状态分布进行预测和估计的现状。

技术领域

本发明涉及微波遥感领域，尤其涉及一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法。

背景技术

冰雪内部和基底物理性质决定了冰雪的物质平衡，其中，冰雪内部温度、密度、冻融状态等状态分布十分重要，对于合理预测未来冰雪演化过程及其对气候的影响而言，需要对这些状态分布进行有效的估计和测量。但由于受到环境和技术实现成本的限制，对冰雪内部性质的现场测量很难进行，因此冰雪内部状态分布的实际观测数据十分匮乏，往往通过经验模型预测，而不同模型之间的输出结果往往相差较大，不能保证预测的可靠性。所以，发展一种冰雪内部温度、密度、冻融状态等状态分布的探测方法十分有意义。

状态分布中，冰雪内部温度分布是指随深度变化的冰雪内部物理温度。冰雪内部温度分布受到表面积累率、表面温度、地热流通量以及冰厚、冰内热交换和应力作用的影响，对于冰雪动力学和热力学的理解十分重要，在冰雪与外界环境的能量和物质交换分析和未来气候预测中是基本的参数之一。目前，冰雪内部温度的数据主要来源于钻孔和冰芯的现场测量。然而，受到地域和技术实现成本的限制，关于冰雪内部温度分布的观测极为稀疏，不能提供覆盖整个冰雪区域的温度测量。对于研究冰雪演化和物质平衡的需求而言，需要覆盖大范围的冰雪内部温度分布的信息，遥感是最合适的手段之一。目前，关于冰雪内部温度反演的遥感研究主要基于俄亥俄州立大学和意大利联合研制的UWBRAD超宽带软件定义微波辐射计，其利用不同频率通道的辐射亮温对不同深度温度分布的响应进行温度分布的反演。但在实测数据分析后发现，冰雪发射受到包含分层结构、密度分布随机波动和内部显著反射层效应等一系列因素的影响，只采用被动微波辐射计并不能对这些因素进行有效的约束，严重限制了利用被动微波辐射计测量结果反演冰雪内部温度分布的能力。由于密度分布随机波动和内部显著反射层效应影响的均是冰雪内部反射层对应的介电特征，因此本发明的以下叙述中，将分层结构和密度分布随机波动和内部显著反射层效应称为内部分层结构和内部反射层对应的介电特征。

冰雪内部密度分布是指随深度变化的冰雪内部密度。冰雪内部密度分布受到降雪事件、隔热变化、季风事件和积雪压制过程的作用，形成了平均密度分布加上随机波动的形式。冰雪内部密度分布的信息对于预测冰雪对海平面贡献而言十分重要。目前，冰雪内部密度分布的数据同样主要来源于钻孔和冰芯的现场测量。因此也受到观测区域的限制，分布极为稀疏，不能提供覆盖整个冰雪区域的观测。对于预测冰雪对海平面贡献的需求而言，要将测量的冰雪体积变化转化为质量变化，这一转化过程需要冰雪内部密度分布的空间覆盖和时间变化信息，遥感是最合适的手段之一。目前，关于冰雪内部密度反演的遥感研究主要基于地基单发多收或多发多收的地表穿透雷达，对不同接收天线观测到的回波强度随时间变化的观测值进行干涉处理，建立反射位置深度对应的回波干涉相位与相应位置深度电磁波传播速度的关系，进而由电磁波传播速度与密度的关系对冰雪密度深度分布进行反演。这种方式需要多组收发天线的收发路径之间存在可辨的回波强度随时间变化的差别，从而提取较为准确的干涉相位，因此要求不同组收发天线之间的距离差别较大，这对于地基平台实现起来相对容易，但对于空中和空间平台的扩展较为困难，因此空间覆盖范围也很有限。