[发明专利]基于基底信号形态特征的南极冰下水探测方法

权利要求书

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| (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| (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置，那么瘦高度被定义为：

La＝(|k₁|+|k₂|)+(l₁+l₂) (4)

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；

(4)薄度

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；

(5)基底界面偏离度

在步骤3.1的数据中给定的基底界面为近似基底界面，而解译雷达图像时真正的基底界面被认为是基底信号数据中每一道的峰值在雷达回波图中的位置，其与近似基底界面具有一定的偏差；因为冰-水界面和冰-非水界面具有显著不同的介电差异，这就导致了在这两类界面上近似基底界面和真实基底界面的分布规律是显著不同的，而这种不同被用来识别冰下水的存在是定义基底界面偏离度的基础；

在冰-非水界面，其近似基底界面是一条光滑的曲线，通常位于基底信号周围的亮暗反射之间的边缘，而真实基底界面则在每一道的位置都较为随机；

在冰-水界面，其基底界面集中趋近于强反射的中心，即近似基底界面非常向真实基底界面靠拢，两类基底界面的纵坐标差异小并且该差异的波动也小；为刻画两类界面这种差异的不同，基于滑动窗口定义了基底界面偏离度：

其中y^real和y^approximate分别代表每一道的真实基底界面和近似基底界面的纵坐标，n为滑动窗口内的道数，为基底界面偏差；

步骤3.3，构建标准

为了令基底信号数据竖直特征强的位置突出出来，定义了描述基底信号数据竖直形态特征的标准为：

该标准使得其值的大小与基底信号数据具有的竖直形态特征的明显程度成正比，作为判别竖直形态特征强弱的标准；

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

同理，为了令基底界面中水平和竖直特征都强的冰下水位置突出出来，定义了基底界面存在水的初步可能性为：

D_P＝ln(C_H·C_V) (7)

该值的大小与基底界面存在水的可能性成正比；

步骤4.2，最终可能性判定和分类展示

根据Vostok湖这个统一比较标准确定出基底界面从干燥到富水的可能性量化区间，联合显示初步可能性与统一比较标准，并示出了可能性量化区间；其中对回波图内的基底界面按照含水程度分成了3类：1.确定的冰下湖、2.疑似的冰下湖、3.可能的积水/沉积物。