CN103605166A - 利用双频雷达探测地下冰层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用双频雷达探测地下冰层的方法。该方法通过对雷达回波信号强度、延时等特性的分析，获取火星表面覆盖层厚度以及火星地下是否存在冰层，以及冰层的厚度等信息，相比于现有技术中子测量技术准确性和可靠性更高。

Description

利用双频雷达探测地下冰层的方法

技术领域

本发明涉及电子行业雷达探测技术领域，尤其涉及一种利用双频雷达探测地下冰层的方法。

背景技术

水或融水在低温下固结的冰称为冰层。在地球上，最常见的冰层是夏季瀑布变为冬季冰瀑布，其属于季节性冰壁。在地外天体如月球、火星上，也有大量冰层存在。据观测，月球北极发现拥有冰层的大量“水囊”，这为宇航员号无人探测器有可能进行的月球探测活动提供了另一个可供选择的研究区域。在宇宙天体上发现冰层是非常激动人心的发现，其可为未来参与月球登陆任务的宇航员提供自然资源。并可以融化后变成饮用水，或者分裂成氧气和氢气，为宇航员及火箭提供呼吸气体和燃料。

目前，对月球及深空地下冰层探测的方法为使用中子探测技术。该方法主要为通过判断氢元素的存在进而判定行星地下是否有冰层存在。该方法的原理是：由于氢核与中子质量相当，因此中子与氢核碰撞会损失很多能量，超热中子经过这种碰撞会迅速慢化成为热中子。假如行星某个区域富含氢，经过该区域的中子在逃离行星前会很快“冷却”，那么该区域上空的中子探测器会检测到超热中子通量的下降和热中子通量的增加。因此氢含量可以通过某种类型中子(如超热中子)的计数率或不同类型中子计数率的相对值来反映。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现：中子测量技术得到的中子谱并不能区分氢的不同化学形式，因此使用该方法并不能得到地下冰层存在的确切证据，并且不能确定冰层厚度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种利用双频雷达探测地下冰层的方法，以确定天体上是否存在冰层以及冰层的厚度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种利用双频雷达探测地下冰层的方法。该方法包括：步骤A，通过发射天线向火星表面发射周期性的双频雷达信号，其中，发射天线距离被测表面的高度为R，双频雷达信号的设置如下：发射功率为P_T，第一频率为f₁、第二频率为f₂，收发天线增益为G；步骤B，由接收天线接收由火星表面返回的双频雷达信号的回波信号，由该回波信号中提取以下参数：对于第一频率f₁雷达信号的回波：由第一个回波提取雷达表面回波功率P₁；由第二个回波提取雷达次表面回波信号幅度P_2f1，功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1；由第三个回波提取雷达回波信号幅度P_3f1以及雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2；对于第二频率f₂的回波：由第二个回波提取雷达次表面回波信号幅度P_2f2；由第三个回波提取雷达回波信号幅度P_3f2；步骤C，根据雷达表面回波功率P₁，求得雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁；步骤D，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁，求得火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1；步骤E，根据第一频率f₁、第二频率f₂、第一频率f₁的雷达次表面回波信号幅度P_2f1、第二频率f₂的雷达次表面回波信号幅度P_2f2、雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1以及火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1，求得雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁及火星表面覆盖层厚度Z₁；步骤F，根据双频雷达信号的发射功率为PT、收发天线增益为G、雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁、火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1、雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁、火星表面覆盖层厚度Z₁、第一频率f1的雷达次表面回波信号功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁，求得雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂；步骤G，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁和雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂，求得火星次表层介质相对介电常数ε_r2；根据第一频率f1的第三个回波的雷达回波信号幅度P_3f1、第一频率f₁雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2以及第二频率f₂的第三个回波取雷达回波信号幅度P_3f2，求得雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂；步骤H，根据雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂，火星次表层介质相对介电常数ε_r2，第一频率f₁，计算出火星次表层介质中电磁波的衰减常数α，如果衰减常数α介于10dB/km至20dB/km之间，则判断火星上存在冰层；否则，则判断火星上不存在冰层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明利用双频雷达探测地下冰层的方法通过对雷达回波信号强度、延时等特性的分析，获取火星表面覆盖层厚度以及火星地下是否存在冰层，以及冰层的厚度等信息，相比于现有技术中子测量技术准确性和可靠性更高。

附图说明

图1为本发明利用双频雷达探测地下冰层方法的原理示意图；

图2为根据本发明实施例利用双频雷达探测地下冰层方法的流程图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明中，通过发射天线向火星表面发射周期性的双频雷达信号，该雷达信号在火星地下介质传播过程中，遇到火星土壤与地下冰层交界面、冰层与岩石交界面等地下介质不连续面时，产生电磁波的反射；接收天线接收到来自火星表面和地下的回波信号并经过雷达主机解码等处理后，通过对雷达回波信号强度、延时等特性的分析，获取火星表面覆盖层厚度以及火星地下是否存在冰层，以及冰层的厚度等信息。

图1为本发明利用双频雷达探测地下冰层方法的原理示意图。图2为根据本发明实施例利用双频雷达探测地下冰层方法的流程图。请参照图1和图2，本实施例利用双频雷达探测地下冰层的方法包括：

步骤A，通过发射天线向火星表面发射周期性的双频雷达信号，其中，发射天线距离火星表面的高度为R，双频雷达信号的设置如下：发射功率为P_T，第一频率为f₁、第二频率为f₂，收发天线增益为G；

步骤B，由接收天线接收由火星表面返回的所述双频雷达信号的回波信号，由该回波信号中提取以下参数：

对于第一频率f₁雷达信号的回波：由第一个回波，即火星表面回波，提取雷达表面回波功率P₁；由第二个回波，即火星次表面回波，提取雷达次表面回波信号幅度P_2f1，功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1；由第三个回波提取雷达回波信号幅度P_3f1以及雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2；

对于第二频率f₂的回波：由第二个回波提取雷达次表面回波信号幅度P_2f2；由第三个回波取雷达回波信号幅度P_3f2。

步骤C，根据雷达表面回波功率P₁，按照以下公式求得雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁：

$R_{01}=\frac{P_1}{\frac{P_T{G}^2{{\mathrm{\λ}}_1}^2}{4{\left(4\mathrm{\πR}\right)}^2}}---\left(1\right)$

其中，λ₁＝c/f₁为第一频率f₁的信号中心波长，c为光速。

步骤D，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁，按照以下公式求得火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1；

${\mathrm{\ϵ}}_{r1}={\left\{\frac{1+\sqrt{R_{01}}}{1-\sqrt{R_{01}}}\right\}}^2---\left(2\right)$

步骤E，根据第一频率f₁、第二频率f₂、第一频率f₁的雷达次表面回波信号幅度P_2f1、第二频率f₂的雷达次表面回波信号幅度P_2f2、雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1以及火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1，按照以下公式求得雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁及火星表面覆盖层厚度Z₁：

${\tan \mathrm{\δ}}_1=\frac{P_{2f_1}-P_{2f_2}}{21.2(f_2-f_1){\mathrm{\τ}}_{D1}}---\left(3\right)$

$Z_1=\frac{{\mathrm{\τ}}_{D1}c}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}}---\left(4\right)$

步骤F，根据双频雷达信号的发射功率为P_T、收发天线增益为G、雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁、火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1、雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁、火星表面覆盖层厚度Z₁、第一频率f1的雷达次表面回波信号功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁，按照以下公式求得雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂；

$R_{12}=\frac{P_2}{\frac{P_T{G}^2{{\mathrm{\λ}}_1}^2}{4{\left\{4\mathrm{\π}(R+Z_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}})\right\}}^2}{(1-R_{01})}^2\exp (-2\mathrm{\π}{f}_1{\mathrm{\τ}}_{D1}\tan {\mathrm{\δ}}_1)}---\left(5\right)$

步骤G，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁和雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂，求得火星次表层介质相对介电常数ε_r2；根据第一频率f₁的第三个回波的雷达回波信号幅度P_3f1、第一频率f₁雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2以及第二频率f₂的第三个回波取雷达回波信号幅度P_3f2，求得雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂的值；

${\mathrm{\ϵ}}_{r2}={\{\frac{1-\sqrt{R_{12}}}{1+\sqrt{R_{12}}}\·\frac{1+\sqrt{R_{01}}}{1-\sqrt{R_{01}}}\}}^2---\left(6\right)$

${\tan \mathrm{\δ}}_2=\frac{P_{{3f}_1}-P_{3f_2}}{21.2(f_2-f_1){\mathrm{\τ}}_{D2}}---\left(7\right)$

步骤H，根据雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂，火星次表层介质相对介电常数ε_r2，雷达频率f₁，按照以下公式计算出火星次表层介质中电磁波的衰减常数α的值，根据α的数值来判断火星次表层中是否含有冰层，如果衰减常数α介于10dB/km至20dB/km之间，则执行步骤I；否则，执行步骤J。

$\mathrm{\α}=0.129\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}{f}_1{[\sqrt{(1+{\tan }^2{\mathrm{\δ}}_2)}-1]}^{1/2}---\left(8\right)$

通过公式8可以计算出α的值。由于冰层对电磁波的衰减值约为10dB/km至20dB/km，远小于包括火山灰在内的已知损耗介质对电磁波的衰减值。通过计算衰减常数α可以准确判断火星上是否存在冰层，即

步骤I，根据雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2以及火星次表层介质相对介电常数ε_r2，求得火星次表层，即冰层的厚度Z₂：

$Z_2=\frac{{\mathrm{c\τ}}_{D2}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}---\left(9\right)$

步骤J，判断火星上不存在冰层，流程结束。

根据表1所示火星次表层探测双频雷达系统参数，对本实施例提出的方法进行了计算验证。

表1 火星次表层探测双频雷达系统参数

计算时使用卫星高度为265km。雷达系统发射功率为100W，发射频率f₁＝30MHz，f₂＝50MHz。系统接收到发射频率f₁来自火星表面的雷达回波功率P₁＝7.4413*10^-10W，发射频率f₂来自火星表面的雷达回波功率P₁＝2.6789*10^-10W；发射频率f₁来自火星表面覆盖层与次表层之间界面的雷达回波功率P₂＝5.7149*10^-11W，发射频率f₂来自火星表面覆盖层与次表层之间界面的雷达回波功率P₂＝1.5052*10^-11W；来自火星表面覆盖层与次表层之间界面的反射信号幅度P_2fl＝2.3906dB，P_2f2＝1.2269dB；来自次表层下界面的反射信号幅度P_3f1＝1.3647dB，P_3f2＝0.7004dB，τ_D1＝0.1776μs，τ_D2＝0.4733μs。

通过式(7)计算出R₀₁＝0.2063；通过式(8)计算出ε_r1＝7.0988，通过τ_D1计算出Z₁＝10.0001m，通过式(5)计算出tanδ₁＝0.0155。根据Clifford模型，火星覆盖层主要成分为玄武岩和安山石，厚度约为10m。其中玄武岩的介电常数实部为7.1，损耗角为0.014，与计算基本一致。通过ε_r1、τ_D1和tanδ₁即可判断出火星表面覆盖层为玄武岩，厚度为10.0001m。

通过式(1)求得R₁₂＝0.0402，进而通过式(9)求得ε_r2＝3.1485；通过式(6)求得tanδ₂＝0.0033。通过τ_D2求得Z₂＝40.0098。根据式(11)求得次表层衰减常数α＝16dB/km，可以判断次表层主要成分为冰层。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明地下水冰探测方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)虽然上述实施例以火星地下冰层的探测为例进行说明，但本发明同样应用于其他场景下的地下冰层探测，如月球地下冰层的探测；

(2)实施例中的参数仅为实际应用提供一种参考，所有仅对参数修改使用本发明方法的应用均在本发明方法之内，例如，所述第一频率为30MHz，第二频率为50MHz，所有对这两个频率大小的修改，只要在UHF波段及UHF波段以下波段，均适用于本发明。

综上所述，本发明提供一种利用双频雷达探测地下冰层的方法，该方法通过发射天线向火星表面发射周期性的双频雷达信号，该雷达信号在火星地下介质传播过程中，遇到火星土壤与地下冰层交界面、冰层与岩石交界面等地下介质不连续面时，产生电磁波的反射；接收天线接收到来自火星表面和地下的回波信号并经过雷达主机解码等处理后，通过对雷达回波信号强度、延时等特性的分析，获取火星表面覆盖层厚度以及火星地下是否存在冰层，以及冰层的厚度等信息。

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，所应理解的是，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 (10)

1.一种利用双频雷达探测地下冰层的方法，其特征在于，包括：

步骤A，通过发射天线向火星表面发射周期性的双频雷达信号，其中，发射天线距离被测表面的高度为R，双频雷达信号的设置如下：发射功率为P_T，第一频率为f₁、第二频率为f₂，收发天线增益为G；

步骤B，由接收天线接收由火星表面返回的所述双频雷达信号的回波信号，由该回波信号中提取以下参数：

对于第一频率f₁雷达信号的回波：由第一个回波提取雷达表面回波功率P₁；由第二个回波提取雷达次表面回波信号幅度P_2f1，功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1；由第三个回波提取雷达回波信号幅度P_3f1以及雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2；

对于第二频率f₂的回波：由第二个回波提取雷达次表面回波信号幅度P_2f2；由第三个回波提取雷达回波信号幅度P_3f2；

步骤C，根据雷达表面回波功率P₁，求得雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁；

步骤D，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁，求得火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1；

步骤E，根据第一频率f₁、第二频率f₂第一频率f₁的雷达次表面回波信号幅度P_2f1、第二频率f₂的雷达次表面回波信号幅度P_2f2、雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1以及火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1，求得雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁及火星表面覆盖层厚度Z₁；

步骤F，根据双频雷达信号的发射功率为PT、收发天线增益为G、雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁、火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1、雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁、火星表面覆盖层厚度Z₁、第一频率f₁的雷达次表面回波信号功率P₂以及雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁，求得雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂；

步骤G，根据雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁和雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂，求得火星次表层介质相对介电常数ε_r2；根据第一频率f₁的第三个回波的雷达回波信号幅度P_3f1、第一频率f₁雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2以及第二频率f₂的第三个回波取雷达回波信号幅度P_3f2，求得雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂；

步骤H，根据雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂，火星次表层介质相对介电常数ε_r2，第一频率f₁，计算出火星次表层介质中电磁波的衰减常数α，如果衰减常数α介于10dB/km至20dB/km之间，则判断火星上存在冰层；否则，则判断火星上不存在冰层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中按照以下公式求得雷达波在火星表面产生的反射系数R₀₁：

$R_{01}=\frac{P_1}{\frac{P_T{G}^2{{\mathrm{\λ}}_1}^2}{4{\left(4\mathrm{\πR}\right)}^2}}$

其中，λ₁＝c/f₁为第一频率f₁的信号中心波长，c为光速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中按照以下公式求得火星表面覆盖层介质相对介电常数ε_r1：

${\mathrm{\ϵ}}_{r1}={\left\{\frac{1+\sqrt{R_{01}}}{1-\sqrt{R_{01}}}\right\}}^2.$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E中分别按照以下公式求得雷达波在火星表面覆盖层传播时的损耗角正切tanδ₁及火星表面覆盖层厚度Z₁：

${\tan \mathrm{\δ}}_1=\frac{P_{2f_1}-P_{2f_2}}{21.2(f_2-f_1){\mathrm{\τ}}_{D1}}$

$Z_1=\frac{{\mathrm{\τ}}_{D1}c}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}}.$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F中分别按照以下公式求得雷达波在火星次表面产生的反射系数R₁₂：

$R_{12}=\frac{P_2}{\frac{P_T{G}^2{{\mathrm{\λ}}_1}^2}{4{\left\{4\mathrm{\π}(R+Z_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}})\right\}}^2}{(1-R_{01})}^2\exp (-2\mathrm{\π}{f}_1{\mathrm{\τ}}_{D1}\tan {\mathrm{\δ}}_1)}.$

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤G中分别按照以下公式分别求得火星次表层介质相对介电常数ε_r2和雷达波在次表层传播时的损耗角正切tanδ₂：

${\mathrm{\ϵ}}_{r2}={\{\frac{1-\sqrt{R_{12}}}{1+\sqrt{R_{12}}}\·\frac{1+\sqrt{R_{01}}}{1-\sqrt{R_{01}}}\}}^2$

${\tan \mathrm{\δ}}_2=\frac{P_{{3f}_1}-P_{3f_2}}{21.2(f_2-f_1){\mathrm{\τ}}_{D2}}.$

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤H中，按照以下公式求得火星次表层介质中电磁波的衰减常数α：

$\mathrm{\α}=0.129\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}{f}_1{[\sqrt{(1+{\tan }^2{\mathrm{\δ}}_2)}-1]}^{1/2}.$

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤H确定被测地下具有冰层之后还包括：

步骤I，根据雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2以及火星次表层介质相对介电常数ε_r2，按照以下公式求得冰层的厚度Z₂：

$Z_2=\frac{{\mathrm{c\τ}}_{D2}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}.$

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一频率与第二频率不相同，二者均存在于UHF波段或UHF波段以下波段。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，用于探测火星或月球的地下冰层。

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