CN116164699B - 一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法 - Google Patents

一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,包括:依次截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列;基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面;将水平面的时间序列转换到RTZ坐标上,并求震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅;基于震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅构造目标函数A,在0~360°范围内以预设角度为间隔扫描行星地震仪方位角φ,当目标函数A达到最小时,所对应的行星地震仪方位角φ即为最优估计值,无需人工干预即可实现行星地震仪方位角自动识别。

Description

一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法
技术领域
本发明涉及行星探测技术领域,更具体的说是涉及一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法。
背景技术
布设行星地震仪是探测行星内部结构和行星地下资源的最有效手段,行星地震仪的布设分为无人布设和有人布设两种。其中,无人布设将面临布设后其方位角无法自我感知的困难,必须设法获得仪器自身的方位角才能获得准确的行星地震信号定位和应用,因而如何实现行星地震仪的方位感知至关重要。此外,有人布设的行星地震仪可以通过宇航员用专业设备现场实测仪器的方位角。但无论哪种布设方式,都将面临仪器布设后受到振动、扰动或者不均匀沉降等带来的仪器姿态变化,而这种变化需要有方法能够及时感知,才能确保行星地震仪观测数据的精度和应用效果。
现有技术中,行星地震仪的方位感知尚处空白,且无自动识别算法。对地震仪的方位角识别方法有实地勘测、采用天然源P波极性分析法、波形模拟对比法、噪声互相关法等方式,但无地外行星地震仪主动源法的方位角自动识别方法。
因此,如何提供一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,无需人工干预即可实现行星地震仪方位角自动识别。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,包括:
依次截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列;
基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面;
将水平面的时间序列转换到RTZ坐标上,并求震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅;
基于震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅构造目标函数A,在0~360°范围内以预设角度为间隔扫描行星地震仪方位角φ,当目标函数A达到最小时,所对应的行星地震仪方位角φ即为最优估计值。
优选地,基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面,具体计算公式为:
xhi= xi*cosθ1
yhi= yi*cosθ2
其中,xi表示行星地震仪的NS方向截取时间序列,yi表示行星地震仪的EW方向截取时间序列,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数,xhi表示行星地震仪的NS方向截取时间序列xi在行星水平面上的分量,yhi表示行星地震仪的EW方向截取时间序列yi在行星水平面上的分量。
优选地,震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅计算公式为:
Figure SMS_1
其中,θai为第i条着陆器支撑腿方向与行星地震仪N方向的夹角,Ari和Ati分别表示震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数。
优选地,目标函数A计算公式为:
Figure SMS_2
其中,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数;
行星地震仪方位角φ计算公式为:
φ = θci – θai
其中,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数,震源入射方位角θai为第i条着陆器支撑腿方向与行星地震仪N方向的夹角,θci表示第i条着陆器支撑腿触地点的方位角。
优选地,在着陆器多个支撑腿的相同高度处安装固定震动激励装置,通过着陆器的控制器顺次开启和关闭各个震动激励装置,震动信号将由支撑腿传递至行星表面,再传递至行星地震仪内部,并被行星地震仪感知。
本发明具有以下效果:
1.通过主动源方式,可得到比噪声互相关法更高信噪比和更高灵敏度的探测数据,计算得到的方位角误差更小,结果更为可靠。
2.通过主动源方式,无需等待天然行星地震信号,即可自动、快速、高效获得行星地震仪的方位角,从而能够为后续天然行星地震信号的分析处理提供依据。
3.本发明为行星地震仪的月面或火星地面在轨定标提供了一种新途径,通过着陆器支撑腿定期产生的震动信号,为行星地震仪提供工作正常与否的判断依据,并可对其长期运行的性能参数进行定期主动标校。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法流程图。
图2附图为本发明提供的布设于行星表面的行星地震仪与着陆器相对位置关系示意图。
图3附图为本发明提供的布设于行星表面的行星地震仪与着陆器的俯视图。
图4附图为本发明提供的震动激励装置发射波形图与行星地震仪接收波形图。
图5附图为本发明提供的主动源震动信号传播示意图。
其中,1、着陆器,2、支撑腿,3、震动激励装置,4、行星地震仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,如图1所示,包括:
依次截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列;
基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面;
将水平面的时间序列转换到RTZ坐标上,并求震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅;
基于震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅构造目标函数A,在0~360°范围内以预设角度为间隔扫描行星地震仪方位角φ,当目标函数A达到最小时,所对应的行星地震仪方位角φ即为最优估计值。
如图2所示,本发明在着陆器1多个支撑腿2的相同高度处安装固定震动激励装置3,通过着陆器1的控制器顺次开启和关闭各个震动激励装置3,震动信号将由支撑腿2传递至行星表面,再传递至行星地震仪4内部,并被行星地震仪4感知。该装置可根据实际需要定时开启或随机开启,从而实现行星地震仪方位的感知和校准。需要说明的是,着陆器支撑腿个数不限制,如图2所示,本实施例以四条支撑腿的着陆器为例。
如图3所示,当第一个震动激励装置3工作时,因为振动沿着着陆器1的腿部向地面传播并达到行星地震仪4的距离最短,因而会被行星地震仪4最先感知到。该震源虽然也会沿着着陆器1传播到其它着陆器腿并经地面被行星地震仪4观测到,但其振动会比直接安装震动激励的着陆器腿的到达时间更晚。因此,行星地震仪4记录到的初始到达振动的偏振方向主要与当前震动激励的着陆器支撑腿所在的方位有关,从而能够计算得到采集到的第一条着陆器腿震动信号。以此类推,行星地震仪4可以分别采集得到各个着陆腿的震动信号。
在本实施例中,依次截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列具体步骤为:
由发射震动信号和接收信号的频率和持续时间特征,截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列,记为An1={x1,y1,z1},如图4所示,其中,行星地震仪的NS方向截取时间序列为x1,EW方向截取时间序列为y1,垂直方向截取时间序列为z1。假设着陆器有N条支撑腿,则第二、第三到第N条支撑腿主动源震动信号的截取记录数据记为An2、 An3、…、 AnN,第i条支撑腿主动源震动信号的截取记录数据记为Ani={xi,yi,zi},其中i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数。
在本实施例中,基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面,具体包括:
由行星地震仪内部姿态传感器得到其布设行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2,对于截取记录数据Ani={xi,yi,zi}其中i=1,2,...,N,将三通道原始时间序列xi,yi,zi按下列公式转换到水平面,记为xhi,yhi,zhi
Figure SMS_3
通过上述步骤,将第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿对应的三通道原始时间序列分别转换到水平面。
在本实施例中,将水平面的时间序列转换到RTZ坐标上,并求震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅具体包括:
将水平面的时间序列xhi和yhi,其中i=1,2,...,N,以震源入射方位角θai,θai定义为第i条着陆器支撑腿方向(震源方向)与行星地震仪N方向的夹角,按下述公式转换到RTZ坐标上,并求取其最大振幅。
RTZ坐标系定义如下:R方向定义为从产生激励信号的支撑腿触地点沿着行星大圆路径指向行星地震仪的方向,Z方向为垂直水平面向上,T方向垂直于R和Z方向所构成的平面。震动信号在R方向的分量最大振幅记为Ari, 震动信号在T方向的分量最大振幅记为Ati:
Figure SMS_4
通过上述步骤得到从第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿对应的震动信号在R方向的分量最大振幅和在T方向的分量最大振幅。
在本实施例中,目标函数A为:
Figure SMS_5
如图5所示,行星地震仪方位角可表示为φ = θci – θai,其中i=1,2,...,N,震源入射方位角θai为第i条着陆器支撑腿方向与行星地震仪N方向的夹角。而 θci为已知第i个支撑腿触地点的方位角,可由着陆器方位角和其支撑腿尺寸分布及行星地震仪布设位置计算获得。
在0~360°范围内以1°(或者更小)为间隔扫描φ ,当A值达到最小时,所对应的行星地震仪绝对方位角φ即为最优估计值,最终实现行星地震仪方位角的自动感知。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,其特征在于,包括:
依次截取行星地震仪接收到第一条着陆器支撑腿到第N条着陆器支撑腿的主动源初至信号前后各δt时长的三通道原始时间序列;
基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2,将三通道原始时间序列转换到水平面;
将水平面的时间序列转换到RTZ坐标上,并求震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅;
基于震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅构造目标函数A,在0~360°范围内以预设角度为间隔扫描行星地震仪方位角φ,当目标函数A达到最小时,所对应的行星地震仪方位角φ即为最优估计值。
2.根据权利要求1所述的一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,其特征在于,基于行星地震仪布设到行星表面后的俯仰角θ1和翻滚角θ2将三通道原始时间序列转换到水平面,具体计算公式为:
xhi= xi*cosθ1
yhi= yi*cosθ2
其中,xi表示行星地震仪的NS方向截取时间序列,yi表示行星地震仪的EW方向截取时间序列,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数,xhi表示行星地震仪的NS方向截取时间序列xi在行星水平面上的分量,yhi表示行星地震仪的EW方向截取时间序列yi在行星水平面上的分量。
3.根据权利要求2所述的一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,其特征在于,震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅计算公式为:
Figure QLYQS_1
其中,θai为第i条着陆器支撑腿方向与行星地震仪N方向的夹角,Ari和Ati分别表示震动信号在R方向和T方向的分量最大振幅,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数。
4.根据权利要求3所述的一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,其特征在于,目标函数A计算公式为:
Figure QLYQS_2
其中,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数;
行星地震仪方位角φ计算公式为:
φ = θci – θai
其中,i=1,2,...,N,N表示着陆器支撑腿的个数,震源入射方位角θai为第i条着陆器支撑腿方向与行星地震仪N方向的夹角,θci表示第i条着陆器支撑腿触地点的方位角。
5.根据权利要求1所述的一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法,其特征在于,在着陆器多个支撑腿的相同高度处安装固定震动激励装置,通过着陆器的控制器顺次开启和关闭各个震动激励装置,震动信号将由支撑腿传递至行星表面,再传递至行星地震仪内部,并被行星地震仪感知。
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