CN106646383B - 一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法 - Google Patents

一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，该方法将月壤结构探测仪探测得到的实测数据和背景数据，经过时间校正、幅度校正等步骤，得到去除背景后的实测数据。因为月壤结构探测仪是在静止的状态下工作，工作方式有别于普通的商业探地雷达，所获取的原始数据也有别于商业探地雷达的数据。同时月壤结构探测仪会受到着陆器本体、周围环境和设备自身的温度等因素的影响，因此采用本发明对原始数据进行去除背景处理，提高原始数据的信噪比，以得到标准的实测数据，用于探测区域成像等科学研究。

Description

一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法
技术领域
本发明属于数据处理领域，具体涉及CE-5有效载荷对月壤结构探测仪数据去除背景的方法。
背景技术
月壤结构探测仪LRPR(Lunar Regolith Penetrating Radar)是一种基于嫦娥五号着陆器平台的高分辨率月壤表面穿透探测雷达，是实现嫦娥五号(CE-5)任务科学探测目标的重要载荷之一。月壤结构探测仪的探测任务是月球次表层结构探测，用于月壤厚度和结构探测及为钻取采样过程提供信息支持。
月壤结构探测仪是一种工作于无载频皮秒脉冲信号体制的高分辨率成像探测雷达，安装在着陆器地板上的，因为着陆器系统是静止不动的，即月壤结构探测仪是在静止的状态下工作，所以月壤结构探测仪采用多个超宽带时域天线组成天线阵，通过电扫描的方式实现每一个天线既能进行发射又能进行接收，当其中一个天线发射时，其余所有天线均能进行接收。通过该电扫描探测的方式可以实现天线阵列下方区域月壤厚度及其分层结构的高分辨率探测图像。
月壤结构探测仪的工作原理是：发射机在控制器的控制下产生超宽带无载频皮秒脉冲信号，经过发射天线向月面下辐射/耦合超宽带皮秒脉冲信号，该脉冲信号在月壤中传播时，如果遇到月壤分层界面或月壤中存在的岩石块，将产生脉冲信号的反射和散射。接收天线接收到该反射和散射信号后通过高频电缆馈送给接收机。接收机在控制器的控制下对脉冲回波信号进行等效取样后获得在时间上被展宽的等效脉冲回波信号，控制器对等效脉冲回波信号进行模数转换变成易于处理和成像的数字信号。
在雷达控制器的控制下，可选通其中一个天线作为发射天线，其余所有天线均作为接收天线进行回波接收，当遍历所有天线均作为发射天线进行探测之后，月壤结构探测仪便能获得天线下方区域月壤的一次完整的探测数据，通过对探测数据进行处理和成像，就可以获取一幅探测区域内月壤分层结构图像。
因为月壤结构探测仪是在静止的状态下工作，工作方式有别于普通的商业探地雷达，因此所获取得原始数据也有别于商业探地雷达的数据。月壤结构探测仪必然会受到着陆器本体的影响；又因为周围环境和设备自身的温度等因素的影响，因此必须要对原始数据进行校正，以得到标准的实测数据，然后用于探测区域成像等科学研究。而现有的传统的商业探地雷达的数据处理方法是无法满足月壤结构探测仪数据处理的需求的，因此要研究一种新的方法对原始数据进行去除背景的处理，以得到标准的实测数据产品。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是通过对原始实测数据和背景数据进行去除背景的处理，以得到标准的实测数据，避免原始数据受外界影响，并得到标准的实测数据。
(二)技术方案
本发明提供了一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、分别对实测数据和背景数据进行插值；
步骤2、对插值后的实测数据进行时间校正，时间校正的公式如下：
τshift为每帧实测数据的时间校准量，
Δt＝1.83ps，为插值后的采样间隔，n为需要平移的点数，四舍五入取整；当该帧实测数据的时间校准量τshift＞0时，将该帧实测数据向前平移n个点，在数据的末尾补充n个0；当该帧实测数据的时间校准量τshift＜0时，将该帧实测数据向后平移n个点，在该帧实测数据的前端补充n个0；
步骤3、对时间校正后的实测数据进行幅度校正：
幅度校正的公式如下：
fout(t)＝a*fraw(t+τshift)
fout(t)为完成幅度校正的实测数据，a为幅度校正的系数，fraw(t)为插值后的实测数据，fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据。
步骤4、将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原；
步骤5、将完成幅度校正的实测数据减去所述插值后的背景数据。
上述方案中，所述实测数据和背景数据是指月壤结构探测仪得到的原始实测数据和原始背景数据，经过采样时刻校正、去除直流、通道延时校正后得到的实测数据和背景数据。
上述方案中，所述的采样时刻校正包括以下步骤：结合采样时间轴数据和采样起始位置，确定每帧实测数据和背景数据的实际时间轴；按照理想的采样时刻进行插值。
上述方案中，所述的去除直流包括以下步骤：将采样时刻校正后的数据变换至频域；对频域数据进行带通滤波；将频域的数据变换至时域。
上述方案中，所述的通道延时校正包括以下步骤：计算基准化后的通道校正时间数据；将实测数据和背景数据的有效数据进行插值；确定插值后的数据的时间校准量；将插值后的实测数据和背景数据按照时间校准量进行平移；将平移后的实测数据和背景数据进行还原。
上述方案中，步骤1中，所述的分别对所述实测数据和背景数据进行插值是指使用分段3次Hermite插值法，进行10倍插值。
上述方案中，步骤2中，还包括计算每帧实测数据的时间校准量τshift，公式如下：
其中tg为直达波到达时刻，τshift为实测数据的时间校准量，fback(t)为插值后的背景数据，fraw(t)为插值后的实测数据； 为插值后的采样间隔。
上述方案中，所述步骤3还包括求取幅度校正的系数a，公式如下：
fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据，tg为直达波到达时刻，fback(t)为插值后的背景数据。
上述方案中，步骤4中所述的将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原指按照10∶1的采样进行还原。
(三)有益效果
去除背景的处理方法，适用于具有背景数据的探地雷达的背景去除处理；同时也适用于因为采集的时机不同、温度差异、系统抖动等造成的多组具有差异的数据归一化处理工作。
本发明还解决了普通商业探地雷达数据处理方法无法处理月壤结构探测仪实测数据的问题，使得月壤结构探测仪的原始数据，经过本套方法处理后，得到标准的实测数据产品，为后续的进一步处理奠定基础。
附图说明
图1为本发明的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法的基本流程图。
图2为本发明一个实施例的对CE-5有效载荷月壤结构探测仪数据去除背景的整体流程图。
图3为本发明一个实施例的采样时间轴与实际采样时间关系示意图。
图4为本发明一个实施例的去除直流效果图。
图5为本发明一个实施例的通道延时校正前的回波信号。
图6为本发明一个实施例的通道延时校正后的回波信号。
图7为本发明一个实施例的时窗选取示意图。
图8为本发明一个实施例的单道波形数据校正前。
图9为本发明一个实施例的单道波形数据校正后。
图10为本发明一个实施例的直接去除背景效果。
图11为本发明一个实施例的数据校正后去除背景效果。
具体实施方式
本发明提供了一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，用于对月壤结构探测仪探测得到的实测数据和背景数据进行处理，以得到标准的实测数据，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、分别对实测数据和背景数据进行插值；
步骤2、对插值后的实测数据进行时间校正；
步骤3、对时间校正后的实测数据进行幅度校正；
步骤4、将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原；
步骤5、将完成幅度校正的实测数据减去背景数据。
上述方案中，所述实测数据和背景数据是指月壤结构探测仪得到的原始实测数据和原始背景数据，经过采样时刻校正、去除直流、通道延时校正后得到的实测数据和背景数据。
上述方案中，所述的采样时刻校正包括以下步骤：结合采样时间轴数据和采样起始位置，确定每帧实测数据和背景数据的实际时间轴；按照理想的采样时刻进行插值上述方案中，所述的去除直流包括以下步骤：将采样时刻校正后的数据变换至频域；对频域数据进行带通滤波；将频域的数据变换至时域。
上述方案中，所述的通道延时校正包括以下步骤：计算基准化后的通道校正时间数据；将实测数据和背景数据的有效数据进行插值；确定插值后的数据的时间校准量；将插值后的实测数据和背景数据按照时间校准量进行平移；将平移后的实测数据和背景数据进行还原。
上述方案中，步骤1中，所述的分别对所述实测数据和背景数据进行插值是指使用分段3次Hermite插值法，进行10倍插值。
上述方案中，步骤2中，还包括计算每帧实测数据的时间校准量τshift，公式如下：
其中tg为直达波到达时刻，fback(t)为插值后的背景数据，fraw(t)为插值后的实测数据；为插值后的采样间隔；τ＝[-100，100]*Δt是因为根据地面验证试验的统计，背景数据和实测数据在时间上相差都在100*1.83ps之内。
上述方案中，步骤2中，所述的对实测数据进行时间校正，公式如下：
dt＝1.83ps，n为插值后的采样间隔；n为需要平移的点数，四舍五入取整；当该帧实测数据的时间校准量τshift＞0时，将数据向前平移n个点，在数据的末尾补充n个0；当该帧实测数据的时间校准量τshift＜0时，将数据向后平移n个点，在数据的前端补充n个0。
上述方案中，所述步骤3还包括求取幅度校正的系数a，公式如下：
fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据，tg为直达波到达时刻，fback(t)为插值后的背景数据。
上述方案中，步骤3中所述的对时间校正后的实测数据进行幅度校正，公式如下：
fout(t)＝a*fraw(t+τshift)
fout(t)为完成幅度校正的实测数据，fraw(t)为插值后的实测数据，fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据。
上述方案中，步骤4中所述的将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原指按照10∶1的采样进行还原。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法的基本流程图，如图1所示，首先分别对实测数据和背景数据进行插值；对插值后的实测数据进行时间校正；对时间校正后的实测数据进行幅度校正；将所述背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原；最后将校正后的实测数据减去背景数据。
图2为本发明一个实施例的对CE-5有效载荷月壤结构探测仪数据去除背景的整体流程图，如图2所示，读取原始实测数据和原始背景数据，并对其进行采样时刻校正，输出采样时刻校正后的实测数据和背景数据；读取采样时刻校正后的实测数据和背景数据，并对其进行去除直流，输出去除直流后的实测数据和背景数据；读取去除直流后的实测数据和背景数据，并对其进行通道延时校正，输出通道延时校正后的实测数据和背景数据；最后，读取通道延时校正后的实测数据和背景数据，并对其进行去除背景，得到去除背景后的实测数据，从而得到完成数据处理工作的数据。
因为设备的电子元器件自身在不同的温度下工作时，器件的性能指标会有细微的差别等原因，使得设备接收机的采样时刻不可能完全按照理想的时刻进行采样，会造成采样时刻的不均匀化，因此需要对所获得的数据按照理想的时刻进行采样校正，以保证采样时刻的均匀化。
其中，采样时间轴数据来自于设备的地面定标实验，因为温度变化等原因，元器件性能会产生细微变化，这会造成采样时刻不能够理想的均匀化，本数据为每个采样点的实际采样时刻，由统计得来。
月壤结构探测仪共12个天线，采用1发11收的工作模式，当遍历所有天线均作为发射天线进行探测之后，故共产生12*11＝132帧实测数据，每帧实测数据的长度为310+6000(byte)，310为帧头信息，6000为实测数据。
进行采样时刻校正时，首先，读取采样时间轴数据，采样时间轴数据为月壤结构探测仪采集一帧实测数据时，各采样点(以6为步进：月壤结构探测仪最终工作时的步进)的实际采样时刻，该数据由地面定标试验统计所得。实际所采集的实测数据时间轴数据可以根据参数“采样起始位置”，在采样时间轴数据中(是一个最大时间 窗0～43320的实际采样时刻值)来查找本帧数据实际采样时刻；读取背景数据，寻找数据标识“0x146F1111”；找到数据标识后，读取一帧实测数据，该帧实测数据包含310字节的帧头信息和3000个点(每点16bit，即2字节)的原始实测数据；
其次，根据帧头信息中的“采样起始位置”参数，再结合采样时间 轴数据和“采样起始位置”，确定该组数据的实际时间轴(即实际采样时刻值大小)；图3为本发明一个实施例的采样时间轴与实际采样时间关系示意图，如图3所示，按照理想的采样时间进行插值(理想的时间为：(1∶3000)*dt dt＝18.3ps)，得到理想的采样时间 背景数据；插值使用分段3次Hermite插值，它不但能够保持原节点的值，而且节点处一阶导数也相同，使得插值函数和被插值函数的密合程度非常好。
最后，重复上述操作，进行下一帧数据的采样时刻校正，直至完成132帧实测数据的校正；实测数据也按照该方法，丛而完成数据的采样时刻校正。
因为设备工作时的温度原因、增益设置等原因，背景数据和原始数据中都含有直流成分，因此在进行数据处理时需要进行去除直流处理，即采用带通滤波的方式进行去除直流成分。
去除直流时，读取月壤结构探测仪采样时刻校正后的背景数据；使用FFT变换将采样时刻校正后的背景数据变换至频域；使用hanning窗对频域数据进行带通滤波，频点参数(低频带阻截止频率，低频带通截止频率，高频带通截止频率，高频带阻截止频率)：(100M，300M，3G，5G)；带通滤波的频率响应为：
其中f1＝100MHz、f2＝300MHz、f3＝3GHz、f4＝5GHz；
将频域的数据进行IFFT变换至时域，得到去除直流后的背景数据；
月壤结构探测仪采样时刻校正后的实测数据也按照背景数据的处理方式重复上述步骤进行去除直流处理。
图4为本发明一个实施例的去除直流效果图，如图4所示，相比于去除直流前的数据，去除直流后的数据已经基本没有直流成分了。
因为月壤结构探测仪在进行通道切换时，需要通过一个开关矩阵网络，会造成通道时延的差异，以及电缆长度的细微差异带来的时延，因此要对得到的数据进行通道延时处理。
在通道延时处理时，读取通道延时校正时间 数据，该数据来自于设备的地面定标实验；将其他收发通道延时数据以1发2收的延时数据为基准，计算出与该基准时间的相对时间值，从而得到基准化后的通道校正时间数据tshift；读取去除直流后的背景数据，寻找数据标识头“0x146F1111”；找到数据标识头后，读取一帧实测数据，该帧实测数据包含310字节的帧头信息和3000个点(每个采样点16bit，即2字节/采样点)的有效数据；将该帧实测数据的有效数据使用分段3次Hermite插值进行10倍的插值；根据帧头信息中的“收发通道号”参数，确定该帧数据的时间校准量tshift，对数据进行延时校准；
n为需要平移的点数，四舍五入取整；tshift为通道的延时， 为插值后的采样间隔；当该帧数据的时间校准量tshift＞0时，将数据向前平移n个点，在数据的末尾补充n个0；当该帧数据的时间校准量tshift＜0时，将数据向后平移n个点，在数据的前端补充n个0；将平移后的数据，按照10∶1的采样还原，即为该帧数据通道延时校正后的数据；重复上述操作进行下一帧数据的通道延时校正，直至完成132帧实测数据的校正；按照同样的方法完成去除直流后实测数据的通道延时校正。
图5为本发明一个实施例的通道延时校正前的回波信号，图6为本发明一个实施例的通道延时校正后的回波信号。
因为背景信号主要来自于设备系统自身和设备工作时着陆器本体对探测目标的干扰，因此去除背景对月壤结构探测仪的数据处理尤为重要，
去除背景时，以该通道背景数据为标准，对该通道的实测数据按照互相关的方法求取时间校准量：
其中，tg为直达波到达时刻，τshift为实测数据的时间校准量，fback(t)为背景数据，fraw(t)为实测数据；为插值后的采样间隔；τ＝[-100，100]*Δtt是因为根据地面验证试验的统计，图7为本发明一个实施例的时窗选取示意图，如图7所示，背景数据和实测数据在时间上相差都在100*1.83ps之内。
按照τshift对该通道的实测数据进行时间校正：
dt＝1.83ps，n为插值后的采样间隔；n为需要平移的点数，四舍五入取整；当该帧数据的时间校准量τshift＞0时，将数据向前平移n个点，在数据的末尾补充n个0；当该帧数据的时间校准量τshift＜0时，将数据向后平移n个点，在数据的前端补充n个0；以该通道背景数据为标准，对该通道的完成时间校正后实测数据按照互相关的方法求取幅度校正的系数a：
fraw(t+τshift)为完成时间校正的实测数据，tg为直达波到达时刻，fback(t)为插值后的背景数据。
将该通道的完成时间校正后实测数据按照如下公式完成幅度校正：
fout(t)＝a*fraw(t+τshift)
fout(t)为完成幅度校正的实测数据，fraw(t)为插值后的实测数据，fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据。
将该通道插值后的背景数据和完成时间、幅度校正的实测数据，按照10∶1的采样进行还原；通道校正后的实测数据减去该通道的背景数据，完成该通道背景的去除。
重复以上操作直至完成132帧实测数据的背景去除。如图8、图9所示，图8为本发明一个实施例的单道波形数据校正前的图像，图9为本发明一个实施例的单道波形数据校正后的图像。
图10为本发明一个实施例的直接去除背景效果，图11为本发明一个实施例的数据校正后去除背景效果，比较而言，经过数据校正后的去除背景图像，其中实测数据在进行时间 校正和幅度校正后，再进行背景去除，效果有了极大的改善，然而直接去除背景的图像中，残差比较大，背景没有得到有效去除，因此可以说明这种经过时间校正和幅度校正的去除背景方法是有效可行的。
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 (9)

1.一种对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、分别对实测数据和背景数据进行插值；
步骤2、对插值后的实测数据进行时间校正，时间校正的公式如下：
τshift为每帧实测数据的时间校准量，
Δt＝1.83ps，为插值后的采样间隔，n为需要平移的点数，四舍五入取整；当该帧实测数据的时间校准量τshift＞0时，将该帧实测数据向前平移n个点，在数据的末尾补充n个0；当该帧实测数据的时间校准量τshift＜0时，将该帧实测数据向后平移n个点，在该帧实测数据的前端补充n个0；
步骤3、对时间校正后的实测数据进行幅度校正：
幅度校正的公式如下：
fout(t)＝a*fraw(t+τshift)
fout(t)为完成幅度校正的实测数据，a为幅度校正的系数，fraw(t)为插值后的实测数据，fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据；
步骤4、将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原；
步骤5、将完成幅度校正的实测数据减去所述插值后的背景数据。
2.根据权利要求1所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述实测数据和背景数据是指月壤结构探测仪得到的原始实测数据和原始背景数据，经过采样时刻校正、去除直流、通道延时校正后得到的实测数据和背景数据。
3.根据权利要求2所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述的采样时刻校正包括以下步骤：结合采样时间轴数据和采样起始位置，确定每帧实测数据和背景数据的实际时间轴；按照理想的采样时刻进行插值。
4.根据权利要求2所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述的去除直流包括以下步骤：将采样时刻校正后的数据变换至频域；对频域数据进行带通滤波；将频域的数据变换至时域。
5.根据权利要求2所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述的通道延时校正包括以下步骤：计算基准化后的通道校正时间数据；将实测数据和背景数据的有效数据进行插值；确定插值后的数据的时间校准量；将插值后的实测数据和背景数据按照时间校准量进行平移；将平移后的实测数据和背景数据进行还原。
6.根据权利要求1所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，步骤1中，所述的分别对所述实测数据和背景数据进行插值是指使用分段3次Hermite插值法，进行10倍插值。
7.根据权利要求1所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，步骤2中，还包括计算每帧实测数据的时间校准量τshift，公式如下：
其中tg为直达波到达时刻，τshift为实测数据的时间校准量，fback(t)为插值后的背景数据，fraw(t)为插值后的实测数据； 为插值后的采样间隔。
8.根据权利要求1所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，所述步骤3还包括求取幅度校正的系数a，公式如下：
fraw(t+τshift)为时间校正后的实测数据，tg为直达波到达时刻，fback(t)为插值后的背景数据。
9.根据权利要求1所述的对月壤结构探测仪数据去除背景的方法，其特征在于，步骤4中所述的将插值后的背景数据和完成幅度校正的实测数据进行还原指按照10∶1的采样进行还原。
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