为解决极地冰盖特有地形地貌、严酷自然环境和冰盖移动等导致的自动化监测装置和数据长距离传输等问题,本研究基于极地冰盖如雪丘、雪垄、冰坝、软雪、硬雪等特有地形地貌,以及气候寒冷、多狂风暴雪等特殊自然环境,针对数据长距离传输和人工智能考察作业的需求,设计了一款专用于极地的冰盖履带机器人。机器人的硬件设计以工控机和STM32F103芯片为控制核心,搭载小型综合气象观测装置、实时动态定位装置、激光雷达和深度相机获取环境信息,构建铱星9523和网桥通信系统实现远距离数据通讯。机器人的软件设计采用多任务实时调度的FreeRTOS操作系统,构建上位机和数据库。此款极地冰盖履带机器人在中国第38次南极科学考察中,依托中山站进行了现场实验。结果表明,该机器人性能稳定、通信可靠、具有较理想的控制效果且较好地满足了极地冰盖作业需求,可为我国南北极科学考察提供关键技术支撑。
为解决极地冰盖特有地形地貌、严酷自然环境和冰盖移动等导致的自动化监测装置和数据长距离传输等问题,本研究基于极地冰盖如雪丘、雪垄、冰坝、软雪、硬雪等特有地形地貌,以及气候寒冷、多狂风暴雪等特殊自然环境,针对数据长距离传输和人工智能考察作业的需求,设计了一款专用于极地的冰盖履带机器人。机器人的硬件设计以工控机和STM32F103芯片为控制核心,搭载小型综合气象观测装置、实时动态定位装置、激光雷达和深度相机获取环境信息,构建铱星9523和网桥通信系统实现远距离数据通讯。机器人的软件设计采用多任务实时调度的FreeRTOS操作系统,构建上位机和数据库。此款极地冰盖履带机器人在中国第38次南极科学考察中,依托中山站进行了现场实验。结果表明,该机器人性能稳定、通信可靠、具有较理想的控制效果且较好地满足了极地冰盖作业需求,可为我国南北极科学考察提供关键技术支撑。
极地冰川钻探已成为了极地科学研究的热点,而极地冰盖钻孔孔壁截面形态数据能够提供冰川运动规律和冰盖稳定性等信息。本文针对吉林大学研制的极地冰盖钻孔高精度物理参数检测的测井仪对于钻孔孔壁截面形态的测量需求,设计了一种新型测量装置,其结构精简,测量精度高,对零部件的维护与修理也十分便捷。为验证这种测量装置结构的合理性与精度,文章还对该装置结构及其重要零部件进行了数值模拟分析和实验验证。同时针对该测量装置结构中存在的不足,提出了改进方法,该方法提高了该测量装置的测量精度和数据处理便捷性。以上的改进既扩大了该测量装置的适用范围,也使其适用于各种尺寸钻孔横截面形态的测量,为极地冰盖钻孔孔壁截面形态的高精度测量提供了一种有力工具,有利于推动对冰川运动规律和冰盖稳定性等方面的研究。
冰雷达是用于极地冰雪探测的主要技术手段,为研究极地冰雪的几何特征、内部结构、冰下地形地貌和冰底环境提供了重要的基础观测数据。20世纪50年代,人类首次发现特定频段的电磁波可以“穿透”南极冰盖,进而在60年代研制出用于极地冰盖冰下探测的冰雷达系统。之后60多年里,随着计算机、电子信息和卫星定位导航等技术的发展,冰雷达技术研究取得快速发展,形成了适用于极地冰盖、海冰及其上覆积雪不同探测需求的多样化冰雷达系统。本文在简要回顾了早期冰雷达技术发展的基础上,着重从极地冰盖深部探测、极地冰盖和海冰浅表层探测以及新型极地冰雪探测冰雷达技术3个方面,回顾总结了近10年来国内外主要进展。未来,为适应极地冰盖、海冰及其上覆积雪观测研究的多种需求,需要进一步提升冰雷达系统性能(探测深度、跨轨迹向分辨率、垂向分辨率等),并且研制满足新型平台(无人机、卫星等)搭载需求的小型、低功耗冰雷达系统,以及发展多通道、多频、多极化集同观测模式的综合冰雷达技术。
冰裂隙是极地冰盖重要的表面特征参数，是冰盖内应力的外在表现，对冰盖的稳定性具有重要的影响。近几十年来随着卫星遥感技术的快速发展，冰裂隙的探测方法和相关研究也不断进步，多种卫星技术的冰裂隙时空探测方法同时取得了进展。介绍极地冰盖冰裂隙特征探测方法的进展情况，归纳和总结国内外利用光学遥感数据、微波遥感数据、高度计数据等多源遥感技术探测极地冰盖冰裂隙水平和垂直特征的方法，并探讨极地冰盖冰裂隙遥感探测的研究重点和面临的挑战。
冰盖数值模拟是一种基于多源观测数据，通过构建并求解冰流动力学方程组，理解冰流运动物理机制以及诊断和预估其演化过程的方法，目前已被广泛应用于冰盖变化研究。本文简要介绍了极地冰盖数值模拟方法，归纳综述了近十余年我国学者在极地冰盖数值模拟方面的研究进展，厘清我国在冰盖数值模拟领域遇到的瓶颈和关键问题。阐述了如何与我国的极地冰盖科考优势区域深度结合，协同多源强化观测和数值模拟，研发和改进冰盖模式，提高冰盖模拟能力，对定量估算极地冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响做出实质贡献。通过逐步发展冰盖模式的研究能力，有望将来在冰盖关键动力过程和机制的科学认识上有所突破。
极地冰盖特殊的热交换属性和庞大的含水量，使其成为全球气候变化的“指示器”和“放大器”。由于特殊的地理位置及严峻的气候环境，目前对极地冰盖的立体探测及认识仍旧匮乏。穿冰雷达具备强穿透性和高精度测距能力，成为冰盖立体层析探测的最佳选择，促进了极地科学的快速发展。受制于低频电磁波跨冰冻圈层传播的复杂性和雷达作用距离的大幅增加，迄今为止，利用天基平台实现穿冰探测依然是对地遥感的空白领域。该文针对天基穿冰雷达系统的科学需求和面临的特殊问题展开讨论，分析了天基穿冰系统面临的3大问题：传输衰减、积雪杂波干扰和垂直航迹向分辨率恶化；结合现有研究成果和技术发展趋势，分析了利用微小卫星平台进行分布式编队实现天基穿冰探测的可行性，论证了分布式穿冰雷达关键指标，指出了天基穿冰雷达未来发展亟需解决的关键技术难题，探索实现百米空间分辨率、季节尺度重访的天基穿冰雷达实施方案。