基于射频光纤技术的极化多偏移距冰雷达探测系统及其在冰川内部特性研究中的应用

《Journal of Glaciology》：Polarimetric multi-offset radio-echo sounding with a radio frequency-over-fiber ApRES system

本研究针对传统同轴电缆损耗限制冰川雷达探测偏移距的问题，创新性地将射频光纤（RFoF）技术集成到相敏自动冰雷达（ApRES）系统中，在南极东风冰川和麦克默多冰架开展极化多偏移距共中心点（CMP）探测，实现相当于4倍冰厚度的超长偏移距探测，突破全内反射理论极限。该系统为冰川热状态、冰晶组构和冰床特性研究提供了高相位稳定性的低成本解决方案，在斯韦茨冰川4公里偏移距成功探测2.2公里厚冰床反射，彰显其在极地厚冰探测领域的应用潜力。

　　

在南极广袤的冰原之下，隐藏着决定冰川命运的关键信息——冰晶排列方向、冰体温度分布、冰床界面特性等。传统机载或雪地车拖曳雷达虽能快速探测大范围区域，但受限于零偏移或小偏移距观测，无法充分发挥多偏移距分析技术的潜力。就像医生需要通过多角度X光片才能准确诊断病情一样，冰川学家也需要通过不同偏移距的雷达观测来"透视"冰川内部结构。然而，长偏移距雷达探测一直面临同步难题：电缆传输损耗过大，而无缆系统又受限于数据量和功耗。这一技术瓶颈严重制约着对冰川物理特性的深入研究。

为解决这一难题，斯坦福大学Daniel F. May领衔的国际研究团队在《Journal of Glaciology》发表创新性研究，将商用射频光纤技术成功集成到相敏自动冰雷达系统中，开发出具有相位稳定性的长偏移距极化雷达探测系统。2023-24年南极夏季，团队在罗斯岛东风冰川和麦克默多冰架开展五项极化共中心点探测，最大偏移距达710米至1公里，相当于4倍冰厚度，显著超越全内反射临界点。特别是在斯韦茨冰川东剪切 Margin的4公里偏移距实验中，成功探测到2.2公里厚冰床的反射信号，为厚冰区冰川特性研究开辟了新途径。

关键技术方法包括：基于射频光纤（RFoF）的相敏自动冰雷达（ApRES）系统改造，使用1550纳米射频光纤模块和低损耗（0.18 dB km^-1）单模光纤；腔背领结天线极化测量（VV、HH、VH配置）；与软件定义无线电（SDR）接收系统的对比验证；基于Open Radar Code Architecture（ORCA）的信号处理；振幅随偏移距（AVO）分析和三层冰柱（雪、粒雪、冰川冰）模型正演模拟。样本来自南极东风冰川、麦克默多冰架和斯韦茨冰川的实地探测。

Eastwind Glacier: 雷达系统比较

CMP 3数据显示，200 MHz带宽的光纤系统比20 MHz带宽的SDR系统具有更高的距离分辨率。虽然两种系统均能记录直达波、冰-海界面一次反射和多次反射，但光纤系统凭借100%占空比和更多脉冲堆叠，信噪比显著提升。通过正常时差分析求得体冰柱介电常数ε'=3.01，冰厚约275米。VV和HH极化在300-400米偏移距后出现快速衰减，VH极化衰减约85 dB，证明系统对极化差异的敏感性。

极化振幅随偏移距分析

振幅随偏移距变化受路径长度差异、冰内衰减、几何扩展、双折射损耗、天线方向图和冰床反射率共同影响。通过网格搜索发现，ε'=1.65和tanδ=0.05的组合最符合观测数据，但与实际冰下材料不符，表明均质冰柱模型过于简化。70-85 dB的总功率衰减远超均质模型预测的30 dB km^-1衰减率。

三层结构影响分析

引入雪层（ε'=1.2, h=1.5 m）、粒雪（ε'=2.2, h=50 m）和冰川冰（ε'=3.17, h=223.5 m）的三层模型后，450米偏移距处的功率陡降得到更好解释。折射导致表面入射角增大，结合天线方向图校正（图8），VV极化预测与观测一致性提高，但HH极化在大偏移距仍存在差异，可能与介电质对真实方向图的扭曲有关。

Thwaites Glacier部署验证

在2.2公里厚冰区，单脉冲无法检测冰床反射。通过1800个脉冲（114分钟）相干平均，成功识别冰床界面和弱冰内反射，证明光纤系统在恶劣条件下的探测能力。相位稳定性分析显示信噪比线性增长，证实RFoF硬件无相位失真。

研究证实射频光纤技术改造的ApRES系统能稳定获取极化多偏移距数据，相位信息保持完整。振幅分析揭示近表层结构对信号传输的显著影响，三层模型结合方向图校正能更好解释观测现象。虽然全内反射非硬性限制，但大偏移距振幅信息解释需考虑近表层介电特性。该系统为冰川热状态监测、冰晶组构反演和冰床过程研究提供了新工具，特别是通过集成光纤开关可实现大规模阵列部署，推动冰川探测向高分辨率三维时序成像发展。