基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法技术

一种基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法。步骤一、无线电回波测深数据准备；步骤二、构建描述基底信号水平形态特征的标准；步骤2.1，获取冰床高程数据；步骤2.2，得到可描述水平形态特征的三个指标；步骤2.3，构建标准；为了令冰床高程水平形态特征强的位置突出出来，定义了描述冰床高程水平形态特征的标准为；步骤三、构建描述基底信号竖直形态特征的标准；步骤3.1，获取基底信号数据；步骤3.2，得到可描述竖直形态特征的五个指标；(1)响应度；(2)对称度；(3)瘦高度；(4)薄度；(5)基底界面偏离度；步骤3.3，构建标准；步骤四、获得基底存在冰下水的可能性；步骤4.1，初步可能性判定；步骤4.2，最终可能性判定和分类展示。最终可能性判定和分类展示。最终可能性判定和分类展示。

【技术实现步骤摘要】
基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法


[0001]本专利技术涉及一种利用基底信号形态特征对南极地区的无线电回波测深数据进行处理，构建多个可以描述基底信号形态特征的指标，并联合利用这些指标来获得基底存在水的可能性的极地专题信息提取方法。

技术介绍

[0002]极地中冰盖下的水是一种非常重要的自然现象，它是冰下水文网络的重要枢纽，它会加速上覆冰盖的滑动和解体，对海平面上升和气候环境的变化起着决定性的作用。因此，冰下水的位置对于冰下水文研究和水网的水势预测以及冰流的变化分析都是非常有利的数据支撑。那么探测出冰下水的位置对于整个极地研究具有不可或缺的重要作用。
[0003]探测冰盖及冰下的技术有很多，然而无线电回波测深技术对冰盖内部及底部的探测是最为敏感的，弥补了深冰芯钻探在恶劣的南极地区无法大规模实施的缺陷，同时也克服了地震、重力勘探等地球物理探测技术对于冰盖不敏感的不足，为南极冰下水探测提供了重要的数据源。
[0004]在寻找冰下水的过程中，最常用的方法是目视解译，然而它的局限性也很明显。例如，它通常很费时，这对未来大量无线电回波测深数据的解译极为不利。而且解译标准随着解译人员而变化，难以统一。因此开发自动的冰下水探测方法对于极地研究而言是必不可少的。
[0005]目前，针对冰下水的识别指标非常有限，难以将冰下水的探测精度提高到一个更高的水平，因此很有必要开发更多的识别指标。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在针对冰下水探测方法中现有冰下水探识别指标的缺乏，提供一种基于基底信号形态特征，利用多识别指标的无线电回波测深数据的冰下水探测方法。因为在雷达回波图中，存在冰下水的冰
‑
水界面相比于不存在冰下水的冰
‑
非水界面具有诸多很明显的特点，例如：相对明亮、非常平滑且趋于水平、高程都相对较低、界面的上下区域都很暗、界面的较亮区域很薄。而这些都对应为基底信号的水平形态和竖直形态特征。其中水平方向是指雷达回波图的横坐标方向，竖直方向是指雷达回波图的纵坐标方向。因此，本专利技术利用上述特点来定义能反映出这些冰水界面具有的特点的多个识别指标，并进行多识别指标联合识别的策略，先针对基底信号分别构建水平形态和竖直形态的识别指标，然后利用这些所有指标得到基底存在水的可能性。
[0007]为解决上述专利技术任务，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
[0009]步骤一、无线电回波测深数据准备
[0010]所用无线电回波测深数据包括测线上的经纬度、飞机飞行高度、飞机至冰床的距
离、冰厚、冰表面高程、冰床高程、雷达回波图、回波图上冰表面和冰床的位置；
[0011]步骤二、构建描述基底信号水平形态特征的标准
[0012]步骤2.1，获取冰床高程数据
[0013]利用冰床高程数据计算得到描述水平形态特征的三个指标；冰床高程数据可通过将无线电回波测深数据中的飞机飞行高度减去其到冰床的距离而获得；
[0014]步骤2.2，得到可描述水平形态特征的三个指标
[0015]计算滑动窗口内的相邻数据点之间的斜率方差得到平滑度，计算相邻数据点之间斜率的绝对值的均值得到水平度，两个指标其值越小越平滑和水平；
[0016]对不同高程赋予不同的权重，用以拉大不同高程基底含有水的可能性之间的差距；对每个回波图对应的冰床高程进行均匀的高程分级，从而得到与高程成反比的权重，高程越低，权重越大；
[0017]步骤2.3，构建标准
[0018]为了令冰床高程水平形态特征强的位置突出出来，定义了描述冰床高程水平形态特征的标准为：
[0019][0020]该标准可使得其值的大小与冰床高程具有的水平形态特征的明显程度成正比，作为判别水平形态特征强弱的标准；
[0021]步骤三、构建描述基底信号竖直形态特征的标准
[0022]步骤3.1，获取基底信号数据
[0023]利用基底信号数据可直接计算得到描述竖直形态特征的五个指标；要获得基底信号数据，首先需要根据数据中给定的近似基底界面在雷达回波图中每一道的位置确定每一道的真实基底界面位置，然后进行上下采样以获得基底界面周围的信号功率数据，即基底信号数据；
[0024]步骤3.2，得到可描述竖直形态特征的五个指标
[0025]根据冰水界面具有的反映在基底信号数据上的几个竖直形态特征，而对基底信号数据定义了五个指标来刻画这些特征出现的强弱程度。
[0026](1)响应度
[0027]首先，冰水界面的上下区域都很暗这个现象，该界面对应的强反射峰两侧的回波功率响应小，定义响应度来刻画这一特征；对于冰水界面的反射峰，从峰顶往左、右的趋势都是连续下降的，而随着下降的进行总会存在一个下降首次停止的位置，那么左右两侧的下降就会对应两个这种位置，这两个位置为刻画反射峰的各种特征提供辅助；假设从这两个辅助位置到基底信号两端的平均功率分别为μ1和μ2，则响应度被定义为：
[0028]Re＝(μ1+μ2)+|μ1‑
μ2|
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(2)
[0029]μ1和μ2越小，它们差值的绝对值也会越小，那么冰水界面的上下区域都很暗这个现象越明显；
[0030](2)对称度
[0031]冰水界面很亮且很薄这一现象，分别定义了：对称度、瘦高度、薄度，从而来刻画这些特征出现的强弱程度；首先，从基底信号的峰顶将基底信号分成两部分，并假设由左右部
分和横坐标轴围城的面积分别为S1和S2，那么对称度被定义为：
[0032]Sy＝|S1‑
S2|
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(3)
[0033]其值越小，基底信号的对称度就越大；
[0034](3)瘦高度
[0035]然后，借助于两个刻画反射峰特征的辅助位置，那么瘦高度被定义为：
[0036]La＝(|k1|+|k2|)+(l1+l2)
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(4)
[0037]其中，k1和k2分别为两个辅助位置到峰顶连线的斜率，而l1和l2分别为两个辅助位置到峰顶连线的距离，其值越小，那么基底信号的瘦高度就越大；
[0038](4)薄度
[0039]假设基底信号的回波功率最大值为y
max
，最小值为y
min
，那么基底信号的薄度Th被定义为基底信号回波功率大于其中值(y
max
+y
min
)/2的宽度d，其值越小，那么基底信号就越薄；
[0040](5)基底界面偏离度
[0041]在步骤3.1的数据中给定的基底界面为近似基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法，其特征在于，具体实施步骤如下：步骤一、无线电回波测深数据准备所用无线电回波测深数据包括测线上的经纬度、飞机飞行高度、飞机至冰床的距离、冰厚、冰表面高程、冰床高程、雷达回波图、回波图上冰表面和冰床的位置；步骤二、构建描述基底信号水平形态特征的标准步骤2.1，获取冰床高程数据利用冰床高程数据计算得到描述水平形态特征的三个指标；冰床高程数据可通过将无线电回波测深数据中的飞机飞行高度减去其到冰床的距离而获得；步骤2.2，得到可描述水平形态特征的三个指标计算滑动窗口内的相邻数据点之间的斜率方差得到平滑度，计算相邻数据点之间斜率的绝对值的均值得到水平度，两个指标其值越小越平滑和水平；对不同高程赋予不同的权重，用以拉大不同高程基底含有水的可能性之间的差距；对每个回波图对应的冰床高程进行均匀的高程分级，从而得到与高程成反比的权重，高程越低，权重越大；步骤2.3，构建标准为了令冰床高程水平形态特征强的位置突出出来，定义了描述冰床高程水平形态特征的标准为：该标准可使得其值的大小与冰床高程具有的水平形态特征的明显程度成正比，作为判别水平形态特征强弱的标准；步骤三、构建描述基底信号竖直形态特征的标准步骤3.1，获取基底信号数据利用基底信号数据可直接计算得到描述竖直形态特征的五个指标；要获得基底信号数据，首先需要根据数据中给定的近似基底界面在雷达回波图中每一道的位置确定每一道的真实基底界面位置，然后进行上下采样以获得基底界面周围的信号功率数据，即基底信号数据；步骤3.2，得到可描述竖直形态特征的五个指标根据冰水界面具有的反映在基底信号数据上的几个竖直形态特征，而对基底信号数据定义了五个指标来刻画这些特征出现的强弱程度；(1)响应度首先，冰水界面的上下区域都很暗这个现象，该界面对应的强反射峰两侧的回波功率响应小，定义响应度来刻画这一特征；对于冰水界面的反射峰，从峰顶往左、右的趋势都是连续下降的，而随着下降的进行总会存在一个下降首次停止的位置，那么左右两侧的下降就会对应两个这种位置，这两个位置为刻画反射峰的各种特征提供辅助；假设从这两个辅助位置到基底信号两端的平均功率分别为μ1和μ2，则响应度被定义为：Re＝(μ1+μ2)+|μ1‑
μ2|
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(2)μ1和μ2越小，它们差值的绝对值也会越小，那么冰水界面的上下区域都很暗这个现象越
明显；(2)对称度冰水界面很亮且很薄这一现象，分别定义了：对称度、瘦高度、薄度，从而来刻画这些特征出现的强弱程度；首先，从基底信号的峰顶将基底信号分成两部分，并假设由左右部分和横坐标轴围城的面积分别为S1和S2，那么对称度被定义为：Sy＝|S1‑
S2|
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(3)其值越小，基底信号的对称度就越大；(3)瘦高度然后，借助于两个刻画反射峰特征的辅助位...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯甜甜，王岱良，郝彤，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：