CN115840202B - 一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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CN115840202B CN202211719416.XA CN202211719416A CN115840202B CN 115840202 B CN115840202 B CN 115840202B CN 202211719416 A CN202211719416 A CN 202211719416A CN 115840202 B CN115840202 B CN 115840202B
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Abstract

本申请公开了一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质，方法包括：获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射；基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。

Description

一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及行星探测技术领域，尤其涉及一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
近年来，许多先进的仪器已经被用于行星探测，例如，可见光、红外线、紫外线、中子探测器以及雷达等。示例性地，对于月球表面的探测，月球勘测轨道飞行器（LunarReconnaissance Orbiter，LRO）上搭载了一个九通道微波辐射计Diviner，来测量探测区域的太阳反射和红外反射，原理是利用岩石与风化层的“非等温性”。但是，该Diviner仅对探测区域内直径大于1m的岩石敏感，能提供米级尺度的探测区域内岩石的面积分数测量，并且反演得到的岩石丰度受探测区域当地时间和地形坡度的限制，精度较低。
目前，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）因其主动式、全天时以及穿透成像的特点，被广泛的用于地球遥感与行星探测。合成孔径雷达能够提供探测区域的极化散射特性，为推断探测区域的物理特性提供了一种有效的途径。但是，利用合成孔径雷达的回波数据，具体确定探测区域的岩石丰度还是一个亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例期望提供一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质。
本申请实施例的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定方法，所述方法包括：获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；从所述回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；所述散射分量包括：来自所述待探测区域的单次散射、来自所述待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自所述待探测区域内大量岩石的体散射；基于所述散射分量，以及所述圆极化比，确定所述待探测区域的体积岩石丰度；其中，所述体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占所述待探测区域的比值。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定装置，包括：
获取模块，用于获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；
提取模块，用于从所述回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；所述散射分量包括：来自所述待探测区域的单次散射、来自所述待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自所述待探测区域内大量岩石的体散射；
确定模块，用于基于所述散射分量，以及所述圆极化比，确定所述待探测区域的体积岩石丰度；
其中，所述体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占所述待探测区域的比值。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定设备，包括：处理器、存储器和通信总线；所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的通信连接；所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现上述岩石丰度的确定方法。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可以被一个或者多个处理器执行，以实现上述岩石丰度的确定方法。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定方法、装置、设备及存储介质，方法包括：获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射；基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。本申请提供的技术方案，给出了利用回波数据确定体积岩石丰度的完整过程，并且，针对待探测区域，从回波数据中提取的圆极化比，能够对区域内直径大于合成孔径雷达发射波长十分之一的岩石敏感，而合成孔径雷达可以发射分米以及厘米级的波长，故，基于雷达观测确定的体积岩石丰度是针对于探测区域内厘米级尺度以上的岩石，相较于现有技术中Diviner提供的米级尺度的探测区域内岩石的面积分数测量，扩展到了厘米级尺度的探测区域一定深度内的体积岩石丰度，提高了岩石丰度确定的准确性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种岩石丰度的确定方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的三种散射机制在月球风化层的散射示意图；
图3为本申请实施例提供的一种示例性的单次散射CPR的变化趋势图；
图4为本申请实施例提供的一种示例性的二次散射CPR的变化趋势图；
图5为本申请实施例提供的一种示例性的体散射CPR的变化趋势图；
图6为本申请实施例提供的一种示例性的岩石丰度反演方法的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种岩石丰度的确定装置的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种岩石丰度的确定设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关申请相关的部分。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定方法，由岩石丰度的确定设备来实现，如图1所示，包括以下步骤：
S101、获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据。
在本申请的实施例中，待探测区域可以是月球表面，也可以是太阳系其他行星表面，具体的待探测区域可以根据实际情况和应用场景进行设定，对此本申请不作限定。
示例性地，岩石丰度的确定设备获取回波数据的实现方式可以是：美国LRO上搭载的射频（Mini-Radio Frequency，Mini-RF）和印度月船1号（Chandrayaan-1）上搭载的Mini-SAR是月球轨道简缩极化SAR，能够以极化的方式获取到待探测区域的回波数据。其中，Mini-RF为工作在S波段（12.6cm）和X波段（4.2cm）的雷达，工作时的入射角为49°。对于工作在S波段的Mini-RF，可以探测到月球表面以下1-2米，并且，可以观测月球表面以及一定深度内的厘米级尺度以上的岩石丰度。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据，包括：在合成孔径雷达向待探测区域发射圆极化电磁波之后，获取圆极化电磁波返回的水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据；将水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定为回波数据。
在本申请的实施例中，合成孔径雷达向待探测区域发射圆极化电磁波之后，可以接收发射的圆极化电磁波返回的水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，即回波数据；此时，岩石丰度的确定设备可以从合成孔径雷达上获取到回波数据以进行数据处理。其中,回波数据可以看作分辨单元内多种散射机制产生回波的叠加，不同散射机制引起的雷达参数：圆极化比（Circular Polarization Rate，CPR）具有很大差异。
S102、从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备可以从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比。示例性地，如果待探测区域为月球表面，那么，散射分量为来自月球表面的单次散射、来自月球表面的岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射以及来自月球表面大量岩石的体散射。
在本申请的实施例中，回波数据包括水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，岩石丰度的确定设备从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比，包括：利用水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定圆极化电磁波的斯托克斯参数；根据斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备可以利用水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定圆极化电磁波的斯托克斯（Stokes）参数。示例性地确定方式如公式（1）所示：
Figure SMS_1
（1）；
其中，
Figure SMS_2
为发射右旋圆极化电磁波接收到的水平线性极化回波数据，/>
Figure SMS_3
为发射右旋圆极化电磁波接收到的垂直线性极化回波数据，/>
Figure SMS_4
为电磁波的总功率（密度），/>
Figure SMS_5
为水平或垂直线极化分量功率值，/>
Figure SMS_6
为预设倾斜角的线级化分量功率值，/>
Figure SMS_7
为左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，预设倾斜角可以为45°，或者135°。其中，/>
Figure SMS_8
为四个Stokes参数，其完整的描述了电磁波的极化状态。行星探测中最常用的参数还包括CPR，该参数已被证明对直径大于雷达信号波长十分之一的表层和近表层的岩石敏感，这些参数是合成孔径雷达的科学应用产品的基础。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备根据斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比之前，还可以执行以下步骤：对斯托克斯参数进行均值滤波，得到均值滤波后的斯托克斯参数；相应地，岩石丰度的确定设备根据斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比，包括：根据均值滤波后的斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比。
示例性地，岩石丰度的确定设备为了提高对SAR图像的解译，可以采用9×9的均值滤波器对斯托克斯参数进行均值滤波来抑制相干斑噪声的干扰，从而使得均值滤波后的斯托克斯参数更符合实际，以使利用均值滤波后的斯托克斯参数，确定的散射分量，以及圆极化比更加准确。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备根据斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比，包括：根据电磁波的总功率、水平或垂直线极化分量功率值、预设倾斜角的线级化分量功率值，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化电磁波的极化度；根据极化度、电磁波的总功率，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化电磁波的圆度；根据极化度、圆度，以及电磁波的总功率，确定散射分量；根据电磁波的总功率和左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化比。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备在确定出
Figure SMS_9
四个Stokes参数后，可以利用这四个Stokes参数确定散射分量，以及圆极化比。
示例性地，岩石丰度的确定设备利用这四个Stokes参数确定散射分量，以及圆极化比的实现方式可以是：根据电磁波的总功率
Figure SMS_10
、水平或垂直线极化分量功率值/>
Figure SMS_11
、预设倾斜角的线级化分量功率值/>
Figure SMS_12
，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和/>
Figure SMS_13
，确定圆极化电磁波的极化度/>
Figure SMS_14
。具体的计算公式参见公式（2）：
Figure SMS_15
（2）；
进而，根据极化度
Figure SMS_16
、电磁波的总功率/>
Figure SMS_17
，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和/>
Figure SMS_18
，确定圆极化电磁波的圆度/>
Figure SMS_19
。具体的计算公式参见公式（3）：
Figure SMS_20
（3）；
由于回波数据中包括多种散射机制产生回波的叠加，此处，岩石丰度的确定设备将月球风化层的雷达后向散射过程建模为三种散射机制回波的叠加和，即单次散射、二次散射以及体散射。其间，考虑到S波段Mini-RF电磁波的穿透深度以及风化层月壤厚度，此处风化层被作为一种半无限介质。图2为这三种散射机制在月球风化层的示意图。故，岩石丰度的确定设备仅从回波数据中提取出这三种散射分量即可。示例性地，岩石丰度的确定设备可以采用m-χ极化分解技术从回波数据中提取出单次散射
Figure SMS_21
、二次散射/>
Figure SMS_22
和体散射/>
Figure SMS_23
。/>
即，根据极化度
Figure SMS_24
、圆度/>
Figure SMS_25
，以及电磁波的总功率/>
Figure SMS_26
，确定散射分量的方式参见公式（4）：
Figure SMS_27
（4）；
最后，根据电磁波的总功率
Figure SMS_28
和左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和/>
Figure SMS_29
，确定CPR；具体的确定公式参见公式（5）：
Figure SMS_30
（5）；
其中，CPR被定义为与发射圆极化电磁波相比的同向（
Figure SMS_31
）与反向（/>
Figure SMS_32
）回波功率的比值。此处CPR可以看作是上述三种散射机制贡献的总和。高CPR（大于1）通常与多次散射相关，如陨石坑的块状喷出物沉积以及风化层一定深度内的体散射，而来自风化层表面的单次散射回波通常具有较小的CPR（小于1）。雷达信号的穿透深度取决于发射电磁波的波长以及月球风化层的组成。
S103、基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。
示例性地，为了描述月球风化层表面和近表层的总体岩石丰度，提出了体积岩石丰度的概念。例如，体积岩石丰度为0.01，表明在雷达探测深度内月球风化层体积的1%被直径约为雷达波长十分之一以及更大的表面或近表层岩石占据。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备在确定出散射分量，以及圆极化比之后，会利用确定出的数据确定待探测区域的体积岩石丰度，这将为理解月球和太阳系其他行星表面陨石坑的演化和定年以及月球极区永久阴影区的着陆和采样提供支撑。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度，包括：获取散射分量中每个散射分量对应的预设圆极化比；基于每个散射分量对应的预设圆极化比，构建体积岩石丰度模型；利用体积岩石丰度模型，根据散射分量，以及圆极化比，反演得到体积岩石丰度。
在本申请的实施例中，回波数据中每种机制的比例与分辨率单元内的表层或近表层的岩石丰度直接相关，鉴于此，基于上述三种散射机制进行月球风化层体积岩石丰度的计算，提出了表征月球风化层体积岩石丰度的模型。参见公式（6）：
Figure SMS_33
（6）；/>
其中，
Figure SMS_35
表示体积岩石丰度，/>
Figure SMS_36
,/>
Figure SMS_37
和/>
Figure SMS_38
为m-χ极化分解后的单次散射、二次散射和体散射分量的百分比，且/>
Figure SMS_39
；因子/>
Figure SMS_40
用于表征不同直径岩石丰度的差异。/>
Figure SMS_41
和/>
Figure SMS_34
分别为单次散射、二次散射和体散射对应的预设圆极化比（CPR）。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备获取散射分量中每个散射分量对应的预设圆极化比，包括：针对每个散射分量，获取对应的散射矩阵，并利用对应的散射矩阵，按照预设计算方式，确定对应的同极化回波功率和反极化回波功率；针对每个散射分量，将对应的同极化回波功率和反极化回波功率之比，确定为对应的圆极化比计算方式；针对每个散射分量，基于对应的圆极化比计算方式，确定对应的预设圆极化比。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备获取散射分量中每个散射分量对应的预设圆极化比的实现方式可以是：对于每个散射分量，获取该散射分量的散射矩阵，并利用获取到的散射矩阵，按照预设计算方式（参见公式（8）），得到同极化回波功率和反极化回波功率，进而将同极化回波功率和反极化回波功率之比，确定为对应的圆极化比计算方式，最后，基于对应的圆极化比计算方式，确定对应的预设圆极化比。
根据上述公式（5）可知，CPR的计算涉及到与发射极化相比的同极化回波分量和反极化回波分量。Mini-RF天线发射左旋圆极化波
Figure SMS_42
，目标散射矩阵为2×2矩阵S，则合成孔径雷达接收到的散射回波可以表示为公式（7）：
Figure SMS_43
（7）；
其中，
Figure SMS_44
为接收到的回波数据，/>
Figure SMS_45
，以及/>
Figure SMS_46
为反射系数。上标T表示转置。
那么，接收到的同向（
Figure SMS_47
）与反向（/>
Figure SMS_48
）回波功率的计算方式参见公式（8）：
Figure SMS_49
（8）；
上述公式（8）成立的条件是：后向散射是互易的，并且交叉极化回波和同极化回波是不相关的。
这样的话，将公式（8）的同向（
Figure SMS_50
）与反向（/>
Figure SMS_51
）回波功率之比，即可得到CPR的计算方式，具体参见公式（9）：
Figure SMS_52
（9）；
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备针对散射分量中每个散射分量，获取对应的散射矩阵，包括：针对单次散射，获取一阶布拉格表面散射模型中由水平极化反射系数和垂直极化反射系数组成的散射矩阵；针对二次散射，获取二面角散射模型中由水平极化菲涅尔反射系数和垂直极化菲涅尔反射系数组成的散射矩阵；针对体散射，获取随机取向偶极子模型中由反射系数组成的散射矩阵。
示例性地，岩石丰度的确定设备采用一阶布拉格（Bragg）表面散射模型来描述月球表面的单次散射。Bragg表面散射模型中的散射矩阵
Figure SMS_53
的形式参见公式（10）：
Figure SMS_54
（10）；
其中，
Figure SMS_55
为水平极化反射系数，/>
Figure SMS_56
为垂直极化反射系数，具体的水平极化反射系数和垂直极化反射系数的确定方式参见公式（11）：
Figure SMS_57
（11）；
其中，
Figure SMS_58
为局部入射角，/>
Figure SMS_59
为粗糙表面的相对介电常数。
示例性地，月球风化层的介电常数设置为2.7 + 0.01i，岩石的介电常数设置为 8+ 0.1i；此时将公式（11）代入公式（8）和（9）得到单次散射的圆极化比计算方式；根据该单次散射的圆极化比计算方式，仿真
Figure SMS_60
为0°到90°的单次散射CPR的变化趋势。
图3为本申请实施例提供的一种示例性的单次散射CPR的变化趋势图。从图3中可以看出，单次散射CPR总体较小（<0.8），且随入射角增大而增大。圆形标识的线表示单次散射CPR在月球表面的变化趋势（参见图3中的31），三角形标识的线表示单次散射CPR在岩石表面的变化趋势（参见图3中的32）。在49°入射角时，单次散射在月球表面产生的CPR为0.05，在岩石表面产生的CPR为0.14。考虑到单次散射更多的出现于月球表面风化层，故，采用0.05作为
Figure SMS_61
，即单次散射对应的预设圆极化比为0.05。
在本申请的实施例中，岩石与岩石或者岩石与风化层之间的二次散射会产生较高的CPR，这种情况可以发生在月球表面或近表层中。
示例性地，岩石丰度的确定设备采用二面角散射模型来描述二次散射的过程。合成孔径雷达发射的入射波经过两个形成一定角度的平面反射后回到接收机，每个平面发生的散射可以用菲涅尔散射来描述。二面角散射模型的散射矩阵
Figure SMS_62
的形式参见公式（12）：
Figure SMS_63
（12）；/>
其中，
Figure SMS_64
和/>
Figure SMS_65
分别为水平和垂直极化菲涅尔反射系数，下标中的数字1和2分别表示第一个反射面和第二个反射面，具体的/>
Figure SMS_66
和/>
Figure SMS_67
的确定方式参见公式（13）：
Figure SMS_68
（13）；
其中，
Figure SMS_69
表示局部入射角，/>
Figure SMS_70
的确定方式参见公式（14）：
Figure SMS_71
（14）；
示例性地，如果合成孔径雷达发射的电磁波通过两个形成直角的平面反射，第一反射面为岩石表面、第二反射面为月球风化层的情况下，在计算
Figure SMS_72
和/>
Figure SMS_73
时，/>
Figure SMS_74
中的介电常数为第一反射面的介电常数，即岩石的介电常数；在计算/>
Figure SMS_75
和/>
Figure SMS_76
时，/>
Figure SMS_77
中的介电常数为第二反射面的介电常数，即月球风化层的介电常数。相同的，可以得到第一反射面为月球风化层和第二反射面为岩石表面，以及第一反射面和第二反射面均为岩石表面的情况。
此时岩石丰度的确定设备将公式（13）代入公式（8）和（9）得到二次散射分量的圆极化比计算方式；岩石丰度的确定设备根据该二次散射分量的圆极化比计算方式，仿真
Figure SMS_78
为0°到90°的二次散射CPR值的变化趋势。
图4为本申请实施例提供的一种示例性的二次散射CPR的变化趋势图。如图4所示，圆形标识的线表示两次反射都是在岩石表面（参见图4中的42），三角形标识的线表示先经过岩石表面反射后经风化层表面反射（参见图4中的41），菱形标识的线表示第一个反射面为风化层，第二个反射面为岩石表面（参见图4中的43）。从图4中可以看出，CPR随入射角的增大先增加后下降。对于两次岩石表面散射的情况，在入射角为49°时CPR为4.2，而对于风化层和岩石表面的二次散射，则分别在入射角38°和52°处达到最大值2.64。考虑到岩石的介电常数范围为7-9，以及二次散射更多出现在两次岩石表面散射的情况，故，采用4作为
Figure SMS_79
的值，即二次散射对应的预设圆极化比为4。
在本申请的实施例中，二面角散射模型需要局部光滑的两个反射面形成直角对，这种要求相对苛刻，而更广泛地发生的是体积散射机制，也即由表现为类偶极子元素的岩石边缘产生的多次散射。
示例性地，岩石丰度的确定设备采用随机取向偶极子模型来描述体散射过程。在此过程中，假设
Figure SMS_80
，即公式（8）中的/>
Figure SMS_81
和/>
Figure SMS_82
相等，那么，将公式（7）中的散射矩阵，代入公式（8）和（9）得到体散射的圆极化比计算方式，参见公式（15）：/>
Figure SMS_83
（15）；
其中，
Figure SMS_84
。
根据随机取向偶极子模型的协方差矩阵，得到
Figure SMS_86
和/>
Figure SMS_87
，然后代入（15）计算得到的CPR为1。如果随机偶极子的散射被类偶极子目标二次散射，则有
Figure SMS_90
。/>
Figure SMS_91
随着回波中去极化散射分量的提高从1/3逐渐下降，当去极化散射分量特别大时，/>
Figure SMS_93
接近于0，这可发生在近表层岩石丰度较大的情况。此时，计算得到的CPR为2.2。同样的，对于经过三次类偶极子目标散射的回波，则有/>
Figure SMS_95
，此时，计算得到的CPR为2.55。图5展示了不同/>
Figure SMS_97
值下，CPR随/>
Figure SMS_85
的变化，三角形标识的线表示β为1/3时CPR的变化趋势（参见图5中的51），圆形标识的线表示/>
Figure SMS_88
为0时CPR的变化趋势（参见图5中的52）。从图5中可以看出，CPR随/>
Figure SMS_89
的增加而增大，并且/>
Figure SMS_92
值越小则CPR越大。由随机取向偶极子模型产生的CPR的范围在1~2.5之间。当被掩埋的近表层岩石丰度增加时，多次散射更容易发生，回波中去极化分量增加，导致/>
Figure SMS_94
增大，/>
Figure SMS_96
下降，CPR也更大。考虑到一般为随机偶极子的散射为类偶极子目标二次散射，因此，采用2.2作为/>
Figure SMS_98
的值，即体散射对应的预设圆极化比为2.2。
在本申请的实施例中，岩石丰度的确定设备在得到单次散射、二次散射和体散射对应的预设圆极化比（CPR）之后，代入公式（6），得到公式（16）：
Figure SMS_99
（16）；
故，在从回波数据中经m-χ极化分解后的单次散射、二次散射和体散射分量的百分比以及得到圆极化比之后，岩石丰度的确定设备即可反演得到月球风化层的体积岩石丰度。这为月球极区永久阴影区的岩石丰度估计提供了一种途径，也为未来嫦娥七号极化SAR数据在月球的应用研究提供支撑，如月球极区的水冰探测、飞跃器的采样等。
图6为本申请实施例提供的一种示例性的岩石丰度反演方法的流程示意图。如图6所示，该方法包括：
步骤601、获取到极化SAR回波数据（回波数据）；
步骤602、根据极化SAR回波数据确定stokes参数；
步骤603、对确定的stokes参数进行均值滤波；
步骤6041、基于滤波后的stokes参数，采用m-χ分解技术从回波数据中提取出单次散射、二次散射，以及体散射分量；
步骤6042、基于滤波后的stokes参数，从回波数据中提取出圆极化比CPR观测值（圆极化比），其中，步骤6041和步骤6042无先后顺序；
步骤605、利用单次散射、二次散射，以及体散射分量，和圆极化比CPR观测值构建三分量体积岩石丰度模型；
步骤606、利用该模型和m-χ分解将雷达CPR观测值映射为月球风化层的体积岩石丰度。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定方法，方法包括：获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射；基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。本申请提供的岩石丰度的确定方法，给出了利用回波数据确定体积岩石丰度的完整过程，并且，针对待探测区域，从回波数据中提取的圆极化比，能够对区域内直径大于合成孔径雷达发射波长十分之一的岩石敏感，而合成孔径雷达可以发射分米以及厘米级的波长，故，基于雷达观测确定的体积岩石丰度是针对于探测区域内厘米级尺度以上的岩石，相较于现有技术中Diviner提供的米级尺度的探测区域内岩石的面积分数测量，扩展到了厘米级尺度的探测区域一定深度内的体积岩石丰度，提高了岩石丰度确定的准确性。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定装置，如图7所示，包括：
获取模块701，用于获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；
提取模块702，用于从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射；
确定模块703，用于基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；
其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。
在本申请一实施例中，获取模块701，还用于在合成孔径雷达向待探测区域发射圆极化电磁波之后，获取圆极化电磁波返回的水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据；将水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定为回波数据。
在本申请一实施例中，回波数据包括水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，提取模块702，还用于利用水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定圆极化电磁波的斯托克斯参数；根据斯托克斯参数，确定散射分量，以及圆极化比。
在本申请一实施例中，斯托克斯参数包括：电磁波的总功率、水平或垂直线极化分量功率值、预设倾斜角的线级化分量功率值，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，提取模块702，还用于根据电磁波的总功率、水平或垂直线极化分量功率值、预设倾斜角的线级化分量功率值，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化电磁波的极化度；根据极化度、电磁波的总功率，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化电磁波的圆度；根据极化度、圆度，以及电磁波的总功率，确定散射分量；根据电磁波的总功率和左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定圆极化比。
在本申请一实施例中，确定模块703，还用于获取散射分量中每个散射分量对应的预设圆极化比；基于每个散射分量对应的预设圆极化比，构建体积岩石丰度模型；利用体积岩石丰度模型，根据散射分量，以及圆极化比，反演得到体积岩石丰度。
在本申请一实施例中，确定模块703，还用于针对每个散射分量，获取对应的散射矩阵，并利用对应的散射矩阵，按照预设计算方式，确定对应的同极化回波功率和反极化回波功率；针对每个散射分量，将对应的同极化回波功率和反极化回波功率之比，确定为对应的圆极化比计算方式；针对每个散射分量，基于对应的圆极化比计算方式，确定对应的预设圆极化比。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定设备，如图8所示，岩石丰度的确定设备包括：处理器801、存储器802和通信总线803；
通信总线803，用于实现处理器801和存储器802之间的通信连接；
处理器801，用于执行存储器802中存储的计算机程序，以实现上述岩石丰度的确定方法。
本申请实施例提供了一种岩石丰度的确定设备，获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；从回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；散射分量包括：来自待探测区域的单次散射、来自待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自待探测区域内大量岩石的体散射；基于散射分量，以及圆极化比，确定待探测区域的体积岩石丰度；其中，体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占待探测区域的比值。本申请提供的岩石丰度的确定设备，给出了利用回波数据确定体积岩石丰度的完整过程，并且，针对待探测区域，从回波数据中提取的圆极化比，能够对区域内直径大于合成孔径雷达发射波长十分之一的岩石敏感，而合成孔径雷达可以发射分米以及厘米级的波长，故，基于雷达观测确定的体积岩石丰度是针对于探测区域内厘米级尺度以上的岩石，相较于现有技术中Diviner提供的米级尺度的探测区域内岩石的面积分数测量，扩展到了厘米级尺度的探测区域一定深度内的体积岩石丰度，提高了岩石丰度确定的准确性。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可以被一个或者多个处理器执行，以实现上述岩石丰度的确定方法。计算机可读存储介质可以是易失性存储器（volatilememory），例如随机存取存储器（Random-Access Memory，RAM）；或者非易失性存储器（non-volatilememory），例如只读存储器（Read-Only Memory，ROM），快闪存储器（flashmemory），硬盘（Hard Disk Drive，HDD）或固态硬盘（Solid-State Drive，SSD）；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各自设备，如移动电话、计算机、平板设备、个人数字助理等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种岩石丰度的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；
从所述回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；所述散射分量包括：来自所述待探测区域的单次散射、来自所述待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自所述待探测区域内大量岩石的体散射；所述待探测区域为月球风化层；
基于所述散射分量构建所述月球风化层的体积岩石丰度模型：
Figure QLYQS_2
；其中，/>
Figure QLYQS_4
表示体积岩石丰度，/>
Figure QLYQS_5
,
Figure QLYQS_7
和/>
Figure QLYQS_9
为/>
Figure QLYQS_10
极化分解后的所述单次散射、所述二次散射和所述体散射分量的百分比，且
Figure QLYQS_11
；因子/>
Figure QLYQS_1
用于表征不同直径岩石丰度的差异；/>
Figure QLYQS_3
，/>
Figure QLYQS_6
和/>
Figure QLYQS_8
分别为所述单次散射、所述二次散射和所述体散射对应的预设圆极化比；
针对所述散射分量中每个散射分量，获取对应的散射矩阵
Figure QLYQS_12
，并利用对应的散射矩阵，按照预设计算方式，确定对应的同极化回波功率
Figure QLYQS_13
和反极化回波功率
Figure QLYQS_14
；其中，/>
Figure QLYQS_15
以及/>
Figure QLYQS_16
为反射系数；
针对所述每个散射分量，将对应的所述同极化回波功率和所述反极化回波功率之比，确定为对应的圆极化比计算方式
Figure QLYQS_17
；
针对所述每个散射分量，基于对应的圆极化比计算方式，仿真确定对应的预设圆极化比：
Figure QLYQS_18
=0.05、/>
Figure QLYQS_19
=4，以及/>
Figure QLYQS_20
=2.2；
将所述每个散射分量对应的所述预设圆极化比代入所述月球风化层的体积岩石丰度模型，得到所述体积岩石丰度模型：
Figure QLYQS_21
；
利用所述体积岩石丰度模型，根据所述散射分量，以及所述圆极化比，反演得到所述月球风化层的所述体积岩石丰度；
其中，所述体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占所述待探测区域的比值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据，包括：
在所述合成孔径雷达向所述待探测区域发射圆极化电磁波之后，获取所述圆极化电磁波返回的水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据；
将所述水平线极化回波数据和所述垂直线极化回波数据，确定为所述回波数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比，包括：
利用水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据，确定圆极化电磁波的斯托克斯参数；
根据所述斯托克斯参数，确定所述散射分量，以及所述圆极化比。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述斯托克斯参数包括：电磁波的总功率、水平或垂直线极化分量功率值、预设倾斜角的线级化分量功率值，以及左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，
所述根据所述斯托克斯参数，确定所述散射分量，以及所述圆极化比，包括：
根据所述电磁波的总功率、所述水平或垂直线极化分量功率值、所述预设倾斜角的线级化分量功率值，以及所述左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定所述圆极化电磁波的极化度；
根据所述极化度、所述电磁波的总功率，以及所述左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定所述圆极化电磁波的圆度；
根据所述极化度、所述圆度，以及所述电磁波的总功率，确定所述散射分量；
根据所述电磁波的总功率和所述左旋圆极化和右旋圆极化分量的功率和，确定所述圆极化比。
5.一种岩石丰度的确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取合成孔径雷达接收到的待探测区域的回波数据；
提取模块，用于从所述回波数据中提取出散射分量，以及圆极化比；所述散射分量包括：来自所述待探测区域的单次散射、来自所述待探测区域内岩石与岩石和岩石与风化层的二次散射，以及来自所述待探测区域内大量岩石的体散射；
确定模块，用于基于所述散射分量构建月球风化层体积岩石丰度模型：
Figure QLYQS_23
；其中，/>
Figure QLYQS_25
表示体积岩石丰度，/>
Figure QLYQS_27
, />
Figure QLYQS_28
和/>
Figure QLYQS_30
为/>
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极化分解后的所述单次散射、所述二次散射和所述体散射分量的百分比，且/>
Figure QLYQS_32
；因子/>
Figure QLYQS_22
用于表征不同直径岩石丰度的差异；/>
Figure QLYQS_24
，/>
Figure QLYQS_26
和
Figure QLYQS_29
分别为所述单次散射、所述二次散射和所述体散射对应的预设圆极化比；
针对所述散射分量中每个散射分量，获取对应的散射矩阵
Figure QLYQS_33
，并利用对应的散射矩阵，按照预设计算方式，确定对应的同极化回波功率
Figure QLYQS_34
和反极化回波功率
Figure QLYQS_35
；其中，/>
Figure QLYQS_36
以及/>
Figure QLYQS_37
为反射系数；
针对所述每个散射分量，将对应的所述同极化回波功率和所述反极化回波功率之比，确定为对应的圆极化比计算方式
Figure QLYQS_38
；
针对所述每个散射分量，基于对应的圆极化比计算方式，仿真确定对应的预设圆极化比：
Figure QLYQS_39
；/>
将所述每个散射分量对应的所述预设圆极化比代入所述月球风化层体积岩石丰度模型，得到体积岩石丰度模型：
Figure QLYQS_40
；
利用所述体积岩石丰度模型，根据所述散射分量，以及所述圆极化比，反演得到所述月球风化层的所述体积岩石丰度；
其中，所述体积岩石丰度表示直径不小于雷达波长十分之一的岩石占所述待探测区域的比值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述获取模块，还用于在所述合成孔径雷达向所述待探测区域发射圆极化电磁波之后，获取所述圆极化电磁波返回的水平线极化回波数据和垂直线极化回波数据；将所述水平线极化回波数据和所述垂直线极化回波数据，确定为所述回波数据。
7.一种岩石丰度的确定设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和通信总线；
所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的通信连接；
所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现权利要求1至4中任一项所述的岩石丰度的确定方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1至4中任一项所述的岩石丰度的确定方法。
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