CN103278814A - 一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，其中月球表面探地雷达的发射天线为Tx，接收天线为Rx1和Rx2，该方法包括：步骤1，从雷达回波数据中获取发射天线辐射的雷达信号到达接收的天线的传播时间t₁、t₂；步骤2，根据获得的雷达信号回波到达接收的天线的传播时间t₁、t₂，联立方程求得雷达波在月壤中的传播速度v；步骤3，根据获得的雷达波在月壤中的传播速度v，进而获得月壤介电常数ε_regolith。本发明在测月雷达中引入单发双收的探测模式，建立了一种双接收天线的月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，并给出了收发天线距离与可探测深度之间的关系，为今后单发双收行星表面探地雷达的设计提供依据。

Description

一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，特别是涉及一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法。

背景技术

测月雷达是一种工作于无载频毫微秒脉冲状态的时域探地雷达，是人类首次采用表面探地雷达进行月球次表层探测。它配备两个探测通道，其中第二通道采用单发双收模式，用于探测巡视器行走路线上的月壤厚度。

为了准确地获得月壤厚度，需要测定月壤的介电常数。根据探地雷达在地面探测中的工作经验，最常用的是钻孔取样法。目前已发表文献中，Apollo样品的实测介电常数是比较权威的成果，但是测月雷达探测区域在虹湾，Apollo并未获得虹湾地区的月壤样品，虽然也能采用月海地区样品的实测值来进行近似，但结果并不准确。还可以通过检测目标回波的时延来计算介质介电常数，常用的方法有已知目标深度法、点源反射体法、共中心点法以及层状反射体法，但是上述方法要求已知目标深度或收发天线的距离发生变化，显然不适用于测月雷达的月球次表层探测中。

现有技术中的介电常数获取方法可主要参见：1)邓小燕，王通.探地雷达探测中对媒质相对介电常数的测定[J].物探与化探，2009，Vol.33No.1，42-48；2)Heiken，G.H.，Vaniman，D.T.and Frend，B.M.，1991.Lunar Sourcebook-A User’s Guide to the Moon.Cambridge UniversityPress；3)欧阳自远主编.月球科学概论[M].北京：中国宇航出版社，2005。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法。

本发明的单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法中，月球表面探地雷达的发射天线为Tx，接收天线为Rx1和Rx2，该方法包括步骤：

步骤1，从雷达回波数据中获取发射天线辐射的雷达信号到达接收的天线的传播时间t₁、t₂；

步骤2，根据步骤1中获得的雷达信号回波到达接收的天线的传播时间t₁、t₂，可联立方程如下，求得雷达波在月壤中的传播速度v：

$t_1=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2}}{v},$ $t_2=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}}{v}$

其中，L1表示发射天线和接收天线Rx1之间的距离，L2表示两个接收天线之间的距离，D表示月壤厚度，v是雷达波在月壤中的传播速度；

步骤3，根据步骤2中获得的雷达波在月壤中的传播速度v，进而获得月壤介电常数ε_regolith为：

其中C表示光速。

优选地，

其中fs是测月雷达采样频率。

优选地，所述发射天线和接收天线之间的距离满足以下条件：

$(\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}-\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2})\≥\frac{C}{2f_s\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{regolith}}}}.$

优选地，所述t₁、t₂在雷达回波数据中读出。

优选地，所述测月雷达配备两个接收天线，采用单发双收模式。

本发明是在测月雷达中引入单发双收的探测模式，建立了一种双接收天线的月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，并给出了收发天线距离与可探测深度之间的关系，为今后单发双收行星表面探地雷达的设计提供依据。

附图说明

图1为单发双收探地雷达测定介电常数示意图。

图2是雷达回波数据示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是在测月雷达中引入单发双收的探测模式，建立了一种双接收天线的月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，并给出了收发天线距离与可探测深度之间的关系，为今后单发双收行星表面探地雷达的设计提供依据。在本发明提出的单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法中，测月雷达采用单发双收设计，参见图1，其中Tx为月球表面探地雷达的发射天线，Rx1和Rx2分别表示月球表面探地雷达的接收天线A和B，L1表示发射天线和接收天线A之间的距离，L2表示两个接收天线之间的距离，D表示月壤厚度。

发射天线辐射的雷达信号到达接收的天线的传播时间t₁、t₂分别从雷达回波数据中读出，参见图2。联立方程如下：

$t_1=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2}}{v}---\left(1\right)$

$t_2=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}}{v}---\left(2\right)$

其中t₁是发射天线Tx辐射的雷达信号到达接收天线Rx1的传播时间，t₂是发射天线Tx辐射的雷达信号到达接收天线Rx2的传播时间，v表示雷达波在月壤中的传播速度。

联立求解上述方程，即可得到雷达波在月壤中的传播速度v，进而得到月壤介电常数ε_regolith为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{regolith}}={\left(\frac{C}{v}\right)}^2---\left(3\right)$

其中C表示光速。

但是在实际探测中，由于测月雷达采样频率fs的限制(这里的限制指两个接收天线回波的时延差能够被检测出来，上述方法才成立。即两个接收天线回波的时延差不小于采样间隔时。)，上述方程存在边界条件，即

$t_2-t_1\≥\frac{1}{f_s}---\left(4\right)$

代入参数，可得

$(\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}-\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2})\≥\frac{C}{2f_s\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{regolith}}}}---\left(5\right)$

因此根据月球次表层的先验特性，可以根据(5)式设计单发双收天线之间的距离，来满足反演月壤介电常数的要求。在获取探测数据后，可以利用测得的雷达信号到达接收天线的传播时间t1、t2，联立(1)(2)式，求得月壤介电常数。

本发明建立了一种利用单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，并给出了收发天线距离与可探测深度之间的关系，为今后单发双收行星表面探地雷达的设计提供依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单发双收月球表面探地雷达测定月壤介电常数的方法，其中月球表面探地雷达的发射天线为Tx，接收天线为Rx1和Rx2，该方法包括步骤：

步骤1，从雷达回波数据中获取发射天线辐射的雷达信号到达接收的天线的传播时间t₁、t₂；

步骤2，根据步骤1中获得的雷达信号回波到达接收的天线的传播时间t₁、t₂，可联立方程如下，求得雷达波在月壤中的传播速度v：

$t_1=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2}}{v},$ $t_2=\frac{2\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}}{v}$

其中，L1表示发射天线和接收天线Rx1之间的距离，L2表示两个接收天线之间的距离，D表示月壤厚度，v是雷达波在月壤中的传播速度；

步骤3，根据步骤2中获得的雷达波在月壤中的传播速度v，进而获得月壤介电常数ε_regolith为：

其中C表示光速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

其中fs是测月雷达采样频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射天线和接收天线之间的距离满足以下条件：

$(\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1+L_2}{2}\right)}^2}-\sqrt{D^2+{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2})\≥\frac{C}{2f_s\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{regolith}}}}.$

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述t₁、t₂在雷达数据中读出。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测月雷达配备两个接收天线，采用单发双收模式。

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