“游隼”无人机通过机载雷达探寻未来气候变化

无人机载雷达探寻未来气候变化。

我站在百米厚的冰面上，看着一架无人机在挪威斯瓦尔巴群岛的斯拉克布林冰川上穿梭，这里距离大陆北部600多公里。我是“游隼”（Peregrine）测试团队的一员，“游隼”是一款固定翼无人驾驶飞行器，它配备了小型探冰雷达，可对冰川冰进行成像，一直探入冰川下的基岩。 

当前气温为零下27℃，刺骨的风寒令温度降至零下40℃，远低于我们此次考察所带的大多数商用设备的工作温度。我们的手机、笔记本电脑和相机很快便将停止工作。最后一台尚在工作的电脑安放在小帐篷里的一个小加热垫上。 

这里的天气已经很恶劣了，而我们要让“游隼”在更恶劣的条件下工作，定期测绘南极和格陵兰岛的冰盖。如果这些巨大的冰川完全融化，它们储存的大量水足以使全球海平面上升65米。虽然这两大冰盖不会很快完全融化，但它们的超大规模会对我们星球的未来产生重大影响。“游隼”采集的数据将帮助科学家了解这些重点地区将如何应对气候变化。

长期以来，科学家们一直利用卫星激光测高仪收集数据，观察冰盖表面高度的变化。这些数据大部分来自2003年发射的ICESat卫星，及后来2018年发射的ICESat-2卫星。科学家们根据这些美国国家航空航天局卫星提供的信息测量海拔的变化，并由此推断出降雪、融化等对冰面变化过程的净影响，以及冰盖向海洋释放冰山的速度。

这些测量当然很重要，但激光测高不能直接提供冰面下所发生的状况，包括冰如何变形以及冰如何在基岩上滑动。

当我们试图了解冰盖对新的极端气候的反应时，这些过程是关键。温度的变化如何影响冰在自身重量下的变形速度？冰川底部的液态水会在多大程度上润滑冰床，使冰更快地滑入海洋？

要想找到这些问题的答案，我们需要了解冰面下层的情况。探冰雷达（IPR）是一种利用无线电波对冰川内层及其下面基岩进行成像的技术。与其他劳动密集型的方法（如钻孔或设置检波器阵列收集地震数据）不同，探冰雷达系统从诞生起便搭载在飞机上。

20世纪60年代，作为国际合作的一部分，美国海军洛克希德C-130大力神运输机被改装成探冰雷达数据采集飞机。该项目（我稍后会详细讨论）表明，即使是在南极洲最偏远的地方，也可以快速采集到这些类型的数据。自此以后，探冰雷达仪器变得越来越好，分析数据方法也越来越好，并开始用于预测未来海平面的上升。

与此同时，用于采集数据的飞机变化相对较小。现代仪器经常搭载在加拿大德哈维兰公司的DHC-6“双水獭”双引擎涡轮螺旋桨飞机或是由道格拉斯DC -3改进的巴斯勒BT-67上。（今天在南极洲执行任务的部分巴斯勒飞机过去曾在第二次世界大战期间执行任务。）虽然各国对此类行动的支持力度各不相同，但对新数据的需求已经超过了载人飞机采集数据的能力，至少就价格成本而言，只有那些资金最充足的行动才能负担得起。

如今采集此类数据不应该那么困难了。

正因如此，我和达斯汀·施罗德斯坦福无线电冰河学实验室的其他学生开始开发几种新型的探冰雷达系统，“游隼”便是其中之一。

斯坦福大学电气工程博士生托马斯·泰斯伯格与斯坦福的同学丹尼·梅(DannyMay)在笔记本电脑控制器前放飞“游集”，而一群来自斯瓦尔巴大学中心的学生则在一旁观看。当游集”爬升到斯拉克布林冰川上空时，系统的红色天线在机翼下清晰可见。

“游隼”作为经过改造的无人机，携带我们基于软件定义无线电设计的小型探冰雷达。该雷达系统的重量不到1千克，与传统探冰雷达系统相比重量很轻，传统探冰雷达往往会占据载人飞机的整个设备架。整个装置（无人机加上雷达系统）只需几千美元，装在坚固耐用的箱子里，大约是一个大托运行李箱的大小。

但要真正理解为什么我们觉得现在需要把“游隼”带到这个世界上，你需要了解探冰雷达采集数据的历史。

托马斯·泰斯伯格蜷缩在一台笔记本电脑前(左)，一个小帐篷为这台电脑遮挡严寒。三脚架支撑着与无人机通信的无线电设备。随后，泰斯伯格在试飞后将“游集”带回团队。

第一次大规模的南极洲传统探冰雷达测绘始于20世纪60年代末，当时一群美国、英国和丹麦的地球科学家在一架C-130的机翼下安装了一套雷达天线。那时GPS还未出现，该项目使用内部导航系统和已知的地面航路点记录飞行路径。该系统使用改造阴极射线管记录雷达回波，扫描一卷光学胶片，研究人员用手写笔记对光学胶片加以补充。此次测绘产生了数百卷胶卷和成堆的笔记本。

该项目于1979年结束，此后，各个国家和地区纷纷开展项目，对南极洲和格陵兰岛进行区域调查。虽然最初的调查范围有限，但这些项目不断发展，最重要的是，它们开始采集带有GPS坐标的数字化数据。

21世纪的第一个十年末，探冰雷达测绘得到了意想不到的提升。2003年，经过仅仅36天的数据采集，ICESat就丢失了一个激光高度计，到2009年底，该卫星的所有激光设备均停止了工作。激光测高的问题似乎与机载探冰雷达测绘无关。但由于距离ICESat-2发射还有几年时间，以及对公共地球科学基金有利的美国政治环境，美国国家航空航天局组织了“冰桥行动”（Operation IceBridge），这是一项大规模的机载调查测绘工作，旨在填补格陵兰岛和南极洲的激光测高数据缺口。

虽然主要目的在于采集激光测高数据，但使用飞机而非卫星意味着可以很容易地添加其他仪器。当时，得克萨斯大学地球物理研究所和堪萨斯大学遥感与集成系统中心（CReSIS）这两家美国机构一直在开发改进版的探冰雷达仪器，探冰雷达已经具备装机条件。

2009至2019年，“冰桥行动”的飞机在南极上空飞行逾35万千米，采集探冰雷达数据。同一时期，美国国家科学基金会的“南极洲中央板块冰冻圈演化调查”（ICECAP）项目为超过25万千米的其他南极探冰雷达数据采集项目提供了资金。

“冰桥行动”使全球探冰雷达数据的采集量大幅增加。虽然世界各地的其他组织，特别是英国南极调查局和阿尔弗雷德·韦格纳研究所也在采集和继续采集探冰雷达数据，但在“冰桥行动”期间，由美国牵头的数据采集工作从多年来几乎可以忽略不计的状态摇身一变成为主要数据来源。

2018年，IceSat-2发射，标志着“冰桥行动”的结束。虽然有些探冰雷达测量仍在继续，但自2018年以来，数据的采集速度明显落后于观测的科学需求。

最近，科学家们认为重要的探冰雷达数据类型发生改变，增加了对更好的冰监测工具的需求。从历史上看，这种雷达测量已被用于确定岩石或沉积层上的冰川的厚度。

除了一些例外情况，冰下基岩在与人相关的时间尺度内不会发生变化。因此，这类探冰雷达数据的采集通常是一次性，或者至少不是经常采集的。一旦采集到足够的数据，就可以建立足够详细的冰川或冰盖下面基岩的地图。

但冰川到基岩的深度并非隐藏在冰面下的唯一重要信息。例如，探冰雷达数据揭示了由降雪变化引起的冰川内部分层。这些内层的形状为现在和过去的冰层流动提供了线索。

科学家还可以观察基岩的反射率，这可以解释液态水存在的可能性。水的存在可以表明周围冰的温度。水的存在对冰川的流动速度起着非常重要的作用，因为水可以润滑冰川的底部，导致更快的滑动和更快的质量损失。

斯拉克布林冰川位于挪威斯瓦尔巴群岛，是该国最寒冷的地区，选择它来测试“游集”，是因为它不太可能含有液态水，液态水会干扰对基岩成像。

“游集”以一定轨迹飞行(左图，红线)飞越了大约0.6平方千米的特尔布林冰川，该冰川也位于斯瓦尔巴群岛上。无人机的探冰雷达绘制了冰川下面以及内部的分层。在根据数据绘制的3D可视化图(右图)中，冰层显示为暗线，基岩显示为亮线。

所有这些都可能会以年甚至季节为基础发生变化，需要进行动态观测。每隔几年进行一次雷达探测是不够的。

仅使用载人飞行更加频繁地采集数据是很困难的——这样做成本高，后勤保障也困难，而且环境恶劣，会使人处于危险之中。取代载人飞机的主要问题在于该往哪个方向发展：向上（卫星星座）还是向下（无人机编队）？

少数几颗卫星可以提供多年的全球覆盖和经常性的重复测量，但这并非探冰雷达的理想平台。要在冰面上获得与百米高空中无人机上的1瓦发射器相同的单位面积功率，400千米轨道上的卫星的发射器需要大约15兆瓦功率，这超过美国联邦通信委员允许的SpaceX星链卫星最大功率的3倍。

杂波是另一项挑战。假设你有一个天线，发射功率主要在10度锥形范围内。你想观测冰面下1.5千米处的冰盖底部，但35千米外有一座山脉。从400千米以上的地方，你的天线也会照到那座山脉，山脉反射回来的能量比从冰盖底部反射回来的能量强得多，冰盖底部的回波由于经过1.5千米的冰层而衰减。

托马斯·泰斯伯格检查“游集”在挪威试飞时记录的部分数据。他桌子上带有电线的小盒子是“游集”载荷的一部分，包括一个软件定义无线电、一个树莓派和用铜屏蔽包裹的其他电子设备。冰的表面和基岩的形状在这张二维数据追踪图中清晰可见。

还有一种选择是无人机，它能比载人飞机飞得离冰更近。研究人员对无人机机载雷达系统的冰成像潜力产生兴趣至少已有十年。2014年，CReSIS装备了一架翼展5米的无线电控制飞机，配备了小型化的探冰雷达系统版本。该设计巧妙地利用了机翼的几何形状作为低频天线，但带宽较小，限制了数据质量。

这次演示可谓投石问路，自此之后的大部分研究已将重点转移至高频系统，有时也被称为雪雷达，用于近地表成像，可以更好地了解山区积雪、海冰上的积雪以及冰盖顶部几米的分层结构。CReSIS已经在一架小型无人直升机上测试了其雪雷达；最近，它与美国国家航空航天局和维尼拉无人机公司合作，在一架翼展11米的大型无人机上搭载雪雷达，该无人机一次可在空中停留数天。

尽管如此，我们仍然需要可穿透冰盖的探冰雷达成像，并且要具有足够高的带宽来区分内层，以及可广泛使用的成本价格。

这正是“游隼”的用武之地。该项目于2020年启动，旨在建造比以往更小、更经济的系统，随着固定翼无人机和小型化电子设备的进步，该目标现在已成为可能。

我们知道自己不能用现成的系统来做探冰雷达。我们必须从零开始，开发一个适合廉价无人机的小而轻的系统。

我们决定在雷达中使用软件定义无线电技术，因为射频发射器和接收器的高度可定制，大部分系统复杂性也从硬件转移到了软件。使用软件定义无线电，整个雷达系统可以制作在几块小电路板上。

软件定义无线电和其他电子设备组成的探冰雷达安装在机头作为屏蔽保护，使其不会干扰GPS信号。

我们从一开始就将目光锁定在超越第一个项目的位置，开发基于Ettus的USRP硬件驱动应用程序接口的软件，该软件可以与各种软件定义无线电共同使用，成本从1000美元到3万美元不等，质量从数十克到数千克不等。

我们添加了一个树莓派单板计算机来控制软件定义无线电。树莓派还连接着一系列温度传感器，这样便可以确保系统不会太热或太冷。

软件定义无线电本身是双向的，一面用于发射雷达信号，一面用于接收回波，每一面都通过放大器和滤波器连接到我们的定制天线上。整个系统的重量略低于1千克。

这些天线的设计很棘手。探冰雷达天线需要相对较低的频率（因为频率越高，受冰影响的衰减越明显）和相对较宽的带宽（实现足够的距离分辨率）。通常情况下，这意味着一个大天线，但我们的小型无人机无法搭载又大又重的天线。

我从标准的领结天线着手，这是地面雷达系统中常用的天线。最初的设计太大，我们的小型无人机连一个天线都装不下，更不用说两个天线了。因此，我使用天线的数字模型对几何形状进行了调整，根据我使用的仿真软件，在尺寸和性能之间找到一个可接受的折中方案。

我还搭建了几个原型，了解真实的天线性能与仿真有何不同。第一个是我用铜带剪下来粘贴在塑料片上的。后来的版本和最终版本被我制作成印刷电路板。经过几次迭代，我有了一个可以工作的天线，能够安装在小型飞机的每个机翼下。

对于无人机，我们开始使用X-UAV Talon无线电控制飞机套件，其中包括泡沫机身、尾翼组件和机翼。飞机上的每一块导电材料都会影响天线的性能，可能会产生不良的效果。测试表明，碳纤维机翼梁和机翼上连接伺服电机的导线与天线之间产生了有问题的感应通道，于是我们用玻璃纤维梁代替了碳纤维梁，并在伺服线路上添加了铁氧体磁珠，作为低通滤波器。

我以为至此已一切就绪。但是，当把无人机带到实验室附近的一个场地时，我们发现，当雷达系统处于开机状态时，我们无法对无人机进行GPS定位。经历了最初的困惑后，我们发现了干扰的来源：系统的USB 3.0接口。为了解决这一问题，我设计了一个塑料盒子，把树莓派和软件定义无线电装在盒子里，3D打印出来，用一层薄薄的铜带包裹起来。这样就屏蔽了惹麻烦的USB电路，使其不会干扰系统的其余部分。

最后，我们在斯坦福大学一个干涸的湖床上放飞了微型雷达无人机。虽然我们的系统不能通过泥土成像，但我们能够从地面获得强烈的反射波，那时我们便知道自己有可工作的原型机了。

6个月后，我们在冰岛瓦特纳冰川的冰帽上进行了第一次真实环境测试，这要感谢冰岛大学当地合作伙伴的帮助和慷慨，以及美国国家航空航天局的资助。这个地点很好，因为附近的火山不时喷发的火山物质（火山灰）覆盖在冰盖表面。这些火山灰又被埋在新雪下，并在冰面下形成火山灰层。我们认为这些地质层可以很好地替代在格陵兰岛和南极洲发现的冰内部分层。虽然在相对温暖的瓦特纳冰川冰层中有大量的液态水，我们的系统无法探测到冰面以下数十米，但在雷达探测中，火山灰层还是很明显的。

但这些最初的试验并非一帆风顺。在一次试飞后，我发现所采集的数据几乎完全是噪声。我们测试了每个组件和线缆，直到我发现其中一根同轴电缆的屏蔽已经破裂，只剩断续的连接。用了一根备用电缆和大量热熔胶后，我们完成剩下的测试。

在下一轮测试中，我们的目标是拍摄冰川下的基岩而不仅仅是冰川内部。这就是为什么我们在2023年3月来到了挪威最寒冷地区的冰川上，在那里，冰内的液态水不太可能干扰测量。在那里，我们能够拍摄位于冰面下150米处冰川基岩的图像。至关重要的是，我们深信不疑，自己的系统在南极洲和格陵兰岛的恶劣环境中也能正常工作。

目前我们的系统相对较小。它被设计得经济且便携，方便研究团队随身携带到遥远的地方。但我们也希望它作为一个更大的无人机机载探冰雷达系统的测试平台，该系统的操作范围约为800千米，成本足够低廉，可以永久部署在南极科考站。以现有的11个科考站作为基地，至少有一个无人机舰队的成员可以探测南极洲的每一处海边。下一代无人机虽然比我们最初的“游隼”更大、更贵，但仍将比载人机载系统便宜得多，且容易操作。

单靠几个博士生是无法操作一架大型无人机的，更不用说一个无人机编队了，所以我们正在与斯坦福大学、斯克里普斯海洋学研究所和俄勒冈州尤金的莱恩社区学院开展合作，让这个新平台落地。如果一切顺利，我们希望能在3年内对南极和格陵兰冰盖开展探冰雷达-无人机调查。这样做无疑将有助于科学家研究地球冰盖对气候变化的反应。采用永久部署的无人机覆盖大部分活跃研究区域，对新数据的请求可以在几天内完成。调查可以动态地在不同地区定期、重复进行。当快速和不可预测的事件发生时，比如冰架崩塌，可以部署无人机采集实时雷达数据。

今天，这样的观测依然是不可能的。但“游隼”及其后续产品可以使其成为可能。拥有采集此类雷达数据的能力，将有助于冰川学家解决冰原物理学中的根本不确定性，改进海平面上升预测，并有助于更好地制定决策，减缓和适应地球未来气候的变化。

作者：Thomas Teisberg