CN109613490B - 一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，该方法包括以下步骤：步骤1：对测月雷达探测数据进行数据刷选及合并处理；步骤2：对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，获得层位信号时延处的回波频率值；步骤3：判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内，如果是，则该层位信号为真实的反射回波；反之，则该层位信号为虚假分层。本发明与传统层位判定方法相比，提供了一种在频率域判定回波有效性的方法，有利于基于测月雷达探测数据的层位识别及后续科学数据解释。

Description

一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法
技术领域
本发明涉及一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，对测月雷达探测数据中出现的疑似分层结构进行时频分析，在频率域判定疑似分层结构的真假性。
背景技术
嫦娥三号卫星于2013年12月2日在西昌卫星发射中心成功发射，12月14日着陆月球雨海北部地区，巡视器月球车与着陆器成功分离，各自开展探测工作。测月雷达作为嫦娥三号“玉兔号”月球车的上的重要科学载荷，在月面探测期间，总共探测的有效里程大于100m。测月雷达一通道中心频率为60MHz，对应带宽为40MHz-80MHz，测月雷达二通道中心频率为500MHz，对应带宽为250MHz-750MHz。
在探地雷达领域，尤其是基于超宽带时域脉冲机制的测月雷达，仅从时间域中对雷达回波信号进行分析会存在局限性，傅里叶变换的产生建立起了信号在时间域和频率域之间相互转换的桥梁，提供了一种信号分析时新的解决方案，使得隐藏在时域而在频率中显现出的信号得以体现出来。但是傅里叶变换的全局性特征仅在分析平稳随机信号时能起到很大的作用，而实际信号多为非平稳随机信号，这时傅里叶变换就不能很好满足处理要求。因此人们在传统傅里叶变换基础上，提出各种改进的信号变换方式，如使用局部分析的方法，即用时间和频率的联合函数来表示信号，这就是时频分析。时频分析的主要目的是描述信号的频谱分量随着时间的变化形式，其最终也是要建立一种时频分布或频率表示，以便在联合时间和频率上，表示信号的能量与强度。简单来说，傅里叶变换的频谱与时频分析的时间-频率谱的不同在于，频谱使我们能够确定哪些频率存在，而时间-频率谱能够确定在某一个特定的时间哪些频率存在。
由于探测环境、探测介质及设备本身产生的干扰，测月雷达探测数据中，内部结构复杂，存在很多虚假信号。虚假分层信号的存在会引起学者误判，进而会对后续雷达数据解译产生错误分析。由于人们无法直接判断哪些结构是月面下真实分层，哪些结构是虚假的分层信息，因此需要寻求一种可以有效识别层位信号有效性的判定方法。
目前传统的地下分层有效性识别方法多采用在时域的雷达堆积剖面图中通过人为的主观识别或通过疑似分层结构处的回波信号强弱进行识别与判定。这些方法的缺点在于带有主观色彩，且不够全面。所以期望有一种在频域范围内进行测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，以在频域范围内利用疑似分层信号处的回波频率与雷达有效工作带宽，实现对测月雷达探测数据层位信号有效性的判定。
(二)技术方案
本发明提供了一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，该方法包括：
步骤1：对测月雷达探测数据进行数据刷选及合并处理；
步骤2：对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，获得层位信号出现时延处的回波频率值；
步骤3：判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内，如果是，则该层位信号为真实的反射回波；反之，则该层位信号为虚假分层。
优选地，步骤1中所述对测月雷达探测数据进行数据筛选及合并处理，包括：首先选取在分层结构处，分层连续的较为水平的多道测月雷达探测数据回波，然后对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理。
优选地，所述对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理，采用的公式如下：
Figure BDA0001915012720000021
xi为第i道测月雷达探测数据；n为选取用于取平均的雷达道数；y为n道测月雷达探测数据回波点对点取平均后的测月雷达探测数据，i、n均为自然数。
优选地，步骤2中所述对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，是对取平均后的测月雷达探测数据进行时频分析。
优选地，所述对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，采用的时频分析方法为短时傅里叶变换、Stockwell变换、小波变换或HHT变换。
优选地，测月雷达一通道中心频率为60MHz，有效带宽为40MHz-80MHz，测月雷达二通道中心频率为500MHz，有效带宽为250MHz-750MHz。
(三)有益效果
本发明提供的测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，结合了时频分析方法，通过对比疑似分层信号处回波频率与雷达有效工作带宽之间的关系，实现对分层机构有效性的判定，对后续利用雷达数据开展目标提取、层位识别及数据解译有重要意义。
附图说明
图1是依照本发明实施例的测月雷达探测数据层位信号有效性判定的方法流程图；
图2是依照本发明实施例的经过筛选和合并后的单道测月雷达探测数据对比图；
图3是依照本发明实施例的典型频率信号的S变换的处理结果；
图4是依照本发明实施例的测月雷达第一通道冰川数据的应用实例；
图5是依照本发明实施例的测月雷达第一通道月面实测数据的应用实例。
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。
图1是依照本发明实施例的测月雷达探测数据层位信号有效性判定的方法流程图。优选地，本发明提供的测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，包括以下步骤：
步骤1：对测月雷达探测数据进行数据刷选及合并处理；
步骤2：对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，获得层位信号出现时延处的回波频率值；
步骤3：判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内，如果是，则该层位信号为真实的反射回波；反之，则该层位信号为虚假分层。
图2是依照本发明实施例的经过筛选和合并后的单道测月雷达探测数据对比图。其中，图2的a为在雷达数据中选取的一道原始雷达探测回波，图2的b为对雷达数据中进行筛选和合并平均处理后的单道雷达回波。图中显示，在图2的a中由于深层时延处回波信号较弱，加上雷达基底噪声影响，3600us～4100us和5600us～6100us内没有发现任何层位的结构信号；但经过雷达数据筛选及合并后，在图2的b中，可以清晰的发现回波信号。
在本发明实施例中，对测月雷达探测数据进行数据筛选及合并处理，优选地，具体包括：首先选取在分层结构处，分层连续的较为水平的多道测月雷达探测数据回波，然后对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理。由于雷达次表层回波在较小的距离尺度下，多为水平恒定存在的；而基底噪声数据多为随机分布的；因此通过多道数据进行取平均处理，可以在一定程度上凸显回波信号。
具体地，对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理，采用的公式如下：
Figure BDA0001915012720000041
xi为第i道测月雷达探测数据；n为选取用于取平均的雷达道数；y为n道测月雷达探测数据回波点对点取平均后的测月雷达探测数据，i、n均为自然数。
在本发明实施例中，对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，是对取平均后的测月雷达探测数据进行时频分析，采用的时频分析方法可以为短时傅里叶变换、Stockwell变换、小波变换或HHT变换。
为了更好的了解时频分析原理，图3是依照本发明实施例的典型频率信号的S变换的处理结果。图3的a为仿真的含多个频率的信号x(t)；信号x(t)的公式如下所示：
Figure BDA0001915012720000051
图3的b为信号的频率分部情况。在合成的信号中，时窗大小为1024s，采样率为1Hz，在合成的信号中前半部分1至512秒的频率为0.05Hz，后半部分513至1024秒的频率为0.1Hz，但是在201秒到301秒的时间内除了包括频率为0.05Hz的信号外，还包括频率为0.18Hz的信号。图3的c为Stockwell变换的处理结果，图中显示，Stockwell变换可以有效的对信号进行时频分析，准确的计算出在特定时刻雷达回波的频率分布情况。
在本发明一个实施例中，采用的时频分析方法为Stockwell方法，该方法的计算公式如下：
Figure BDA0001915012720000052
其中，x(t)为雷达信号，f为信号频率。
在本发明一个实施例中，判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内，具体包括以下步骤：假设回波频率值为f，雷达的有效带宽为[a，b]，如果回波频率值在雷达的有效带宽之内，即a＜f＜b，则说明该层位信号为真实的回波信号；反之，则该层位信号为虚假信号。
具体而言，假设回波频率值为f为15MHz，雷达的有效带宽为[10MHz，20MHz]，则回波频率值在雷达的有效带宽之内，该层位信号为真实的回波信号。
请结合图4和图5以便更好理解，图4中给出的回波频率在有效带宽内的示例，为真实的回波信号，而图5给出的不在有效带宽内的示例，为虚假的分层信号。
在本发明一个实施例中，测月雷达一通道中心频率为60MHz，有效带宽为40MHz-80MHz，测月雷达二通道中心频率为500MHz，有效带宽为250MHz-750MHz。
图4是依照本发明实施例的测月雷达第一通道冰川数据的应用实例。图4的a为测月雷达在地面冰川验证试验中的一道探测数据，图中可以清楚识别在1600us左右存在次表层的雷达回波，且根据先验知识确认了该分层回波为冰川与下层基岩的分界面。图4的b为利用Stockwell变换得出的时频分布图，在1600us处发现了60MHz频率成分。测月雷达第一通道的有效带宽为40-80MHz，由于回波频率成分在雷达有效带宽内，因此在频率域中，也确定了该回波分层为真实的次表层分层，即冰川与基岩的分界面。
图5是依照本发明实施例的测月雷达第一通道月面实测数据中的应用实例。图5的a为雷达雷达第一通道的雷达数据剖面图，发现在5800us处存在疑似分层结构。图5的b为利用步骤1中提到的数据筛选和合并得到了单道雷达回波；图5的c为对图5的b在5600～6100us的放大显示图；图5的d为对图5的c进行Stockwell变换得到的时频结果图，图中，在5800us，该信号的频率成分约在10-～15MHz。而测月雷达第一通道的有效工作带宽为40～80MHz，图中出现的疑似分层信号频率在雷达工作的有效带宽外，因此判定其为虚假分层。
在本发明中，首先，对测月雷达探测数据进行数据刷选及合并处理；其次，对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，获得层位信号出现时延处的回波频率值；最后，通过判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内来确定疑似分层信号的真假性。该工作对后续利用雷达数据开展目标提取、层位识别及数据解译有重要意义。
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 (4)

1.一种测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：对测月雷达探测数据进行数据筛选及合并处理；该步骤具体包括：首先选取在分层结构处，分层连续的较为水平的多道测月雷达探测数据回波，然后对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理；
步骤2：对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，获得层位信号出现时延处的回波频率值；其中所述对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，是对取平均后的测月雷达探测数据进行时频分析；
步骤3：判定该回波频率值是否在雷达的有效带宽内，如果是，则该层位信号为真实的反射回波；反之，则该层位信号为虚假分层。
2.根据权利要求1所述的测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，其特征在于，所述对选取的多道测月雷达探测数据回波进行取平均处理，采用的公式如下：
Figure FDA0003842785050000011
xi为第i道测月雷达探测数据；n为选取用于取平均的雷达道数；y为n道测月雷达探测数据回波点对点取平均后的测月雷达探测数据，i、n均为自然数。
3.根据权利要求1所述的测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，其特征在于，所述对测月雷达探测数据的层位部分进行时频分析，采用的时频分析方法为短时傅里叶变换、Stockwell变换、小波变换或HHT变换。
4.根据权利要求1所述的测月雷达探测数据层位信号有效性的判定方法，其特征在于，测月雷达一通道中心频率为60MHz，有效带宽为40MHz-80MHz，测月雷达二通道中心频率为500MHz，有效带宽为250MHz-750MHz。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101545983A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 中国石油集团西北地质研究所 基于小波变换的多属性分频成像方法
CN103426177A (zh) * 2013-08-30 2013-12-04 中国科学院国家天文台 一种基于测月雷达的月球次表层层位检测方法
CN103605118A (zh) * 2012-08-21 2014-02-26 中国科学院电子学研究所 一种利用极地探冰雷达提取极地冰层位方法
CN105044696A (zh) * 2015-07-30 2015-11-11 中国科学院国家天文台 一种基于相关系数分析法计算测月雷达探测深度的方法
CN105158744A (zh) * 2015-07-30 2015-12-16 中国科学院国家天文台 一种测月雷达探测深度计算方法
CN105242245A (zh) * 2015-10-09 2016-01-13 中国科学院大学 基于极地探冰雷达数据低秩性和稀疏性的噪声抑制方法
CN105259539A (zh) * 2015-10-29 2016-01-20 中国科学院大学 一种针对极地探冰雷达数据的分部式噪声抑制方法
CN105974407A (zh) * 2016-07-26 2016-09-28 中国科学院电子学研究所 一种探地雷达地下层位检测方法
CN105986816A (zh) * 2015-02-27 2016-10-05 中国石油化工股份有限公司 一种用于识别页岩地层甜点的方法
CN107656272A (zh) * 2017-09-25 2018-02-02 厦门大学 一种在高阶时域算法下的电磁波三维逆时偏移成像方法
CN107703546A (zh) * 2017-09-29 2018-02-16 西南石油大学 一种基于小波变换的新阈值函数地震资料去噪方法
CN108256488A (zh) * 2018-01-19 2018-07-06 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种基于微多普勒特征提取和深度学习的雷达目标识别方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101545983A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 中国石油集团西北地质研究所 基于小波变换的多属性分频成像方法
CN103605118A (zh) * 2012-08-21 2014-02-26 中国科学院电子学研究所 一种利用极地探冰雷达提取极地冰层位方法
CN103426177A (zh) * 2013-08-30 2013-12-04 中国科学院国家天文台 一种基于测月雷达的月球次表层层位检测方法
CN105986816A (zh) * 2015-02-27 2016-10-05 中国石油化工股份有限公司 一种用于识别页岩地层甜点的方法
CN105044696A (zh) * 2015-07-30 2015-11-11 中国科学院国家天文台 一种基于相关系数分析法计算测月雷达探测深度的方法
CN105158744A (zh) * 2015-07-30 2015-12-16 中国科学院国家天文台 一种测月雷达探测深度计算方法
CN105242245A (zh) * 2015-10-09 2016-01-13 中国科学院大学 基于极地探冰雷达数据低秩性和稀疏性的噪声抑制方法
CN105259539A (zh) * 2015-10-29 2016-01-20 中国科学院大学 一种针对极地探冰雷达数据的分部式噪声抑制方法
CN105974407A (zh) * 2016-07-26 2016-09-28 中国科学院电子学研究所 一种探地雷达地下层位检测方法
CN107656272A (zh) * 2017-09-25 2018-02-02 厦门大学 一种在高阶时域算法下的电磁波三维逆时偏移成像方法
CN107703546A (zh) * 2017-09-29 2018-02-16 西南石油大学 一种基于小波变换的新阈值函数地震资料去噪方法
CN108256488A (zh) * 2018-01-19 2018-07-06 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种基于微多普勒特征提取和深度学习的雷达目标识别方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Novel Method for Wideband Pulsed Electromagnetic Wave Propagation Characteristic Analysis in Layered Medium;Wu, B;《2016 PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEARCH SYMPOSIUM (PIERS)》;20160811;全文 *
Joint-time frequency analysis for investigating layered structures by surface penetrating radar;Luzi, G;《IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing IGARSS》;20030101;全文 *
Numerical Simulations of the Lunar Penetrating Radar and Investigations of the Geological Structures of the Lunar Regolith Layer at the Chang"E 3 Landing Site;Ding, CY;《 INTERNATIONAL JOURNAL OF ANTENNAS AND PROPAGATION》;20170619;全文 *
Simulation of radar sounder echoes and inversion for Mars layered media;Ya-Qiu Jin;《2012 14th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR)》;20120802;全文 *
二维小波变换在矿井地质雷达信号中的应用;张华等;《煤炭科学技术》;20081125(第11期);全文 *
探地雷达小波的构造及在提高雷达信号分辨率中的应用;陈文超等;《煤田地质与勘探》;20031022(第05期);全文 *
时频分析方法及其在地震数据处理中的应用;赵淑红;《中国优秀博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20051215;全文 *

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