CN116413719B - 一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法及相关设备，所述方法包括：对雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。本发明为月球地下空间的利用和未来人类登陆月球建立基地选址提供有力的参考，对地球上城市道路地下空洞灾害的预警具有重要的指示意义。
Description
技术领域
本发明涉及行星科学探测领域，尤其涉及一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法及相关设备。
背景技术
近些年来探地雷达也被运用到了行星探测之中，探月雷达其本质就是地球上常用的探地雷达，月表之下是否存在空洞也一直是行星科学家们所关心的问题。月球上造成空洞的原因，大致可以分为两种，一种是撞击事件导致的月表下高孔隙度，另外一种就是火山岩浆流过所形成的熔岩管道。熔岩管道是火山喷发的玄武岩岩浆流快速移动而形成的，岩浆流表面迅速冷却硬化，而内部未冷却的岩浆流从管道中排出，留下一个管道状的空洞。
目前，探地雷达技术已被实用于探测加利福尼亚火山岩床国家保护区内的熔岩管道，并对熔岩管道进行探地雷达成像，该熔岩管道在雷达成像雷达图像中呈现双曲线特征，上下沿曲线刻画了熔岩管道的垂直方向的深度约为18 m，与实际测量值一致，由此可见探地雷达完全可用于对熔岩管道的探测与识别，但是目前的技术并没有深入研究探地雷达电磁波对熔岩管道识别的机制，技术人员难以通过探地雷达电磁波对未知地底区域进行是否存在熔岩管道的判断。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法、系统、终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中技术人员难以通过探地雷达电磁波对未知地底区域进行是否存在熔岩管道的判断的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法，所述月球次表层下方熔岩管道勘探方法包括如下步骤：
收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据，具体包括：
读取每道所述雷达数据的道头文件中的科学参数，根据所述科学参数对每道所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，并基于雷达遥测通道获取遥测数据；
将所述遥测数据按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头文件中，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变；
若所述空间位置未发生改变，则删除任意一道所述第二雷达数据，直至所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，获得多道第三雷达数据；
对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作，完成对所述雷达数据的数据预处理，获得所述预处理雷达数据。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，具体包括：
对所述预处理雷达数据进行背景去除操作，计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，基于所述预处理雷达数据减去所述平均值，获得第四雷达数据；
将所述第四雷达数据输入预先设置的带通滤波器中，除去所述第四雷达数据中工作频率范围之外的噪声信号，获得第五雷达数据；
对所述第五雷达数据进行弱信号增强处理，获得所述目标雷达数据。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号，具体包括：
根据所述目标雷达数据绘制雷达回波图；
根据所述雷达回波图获得所述双曲线回波信号。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述收集雷达数据之前还包括：
在雷达进行作业时，记录雷达发射波的极性方向，作为第一极性方向。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域，具体包括：
根据所述双曲线回波信号确定潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置以及分别对应的顶部位置回波信号和底部位置回波信号；
识别所述顶部位置回波信号的极性方向，作为第二极性方向；
识别所述底部位置回波信号的极性方向，作为第三极性方向；
将所述第二极性方向和所述第三极性方向分别与所述第一极性方向进行对比；
若所述第二极性方向与所述第一极性方向一致，且所述第三极性方向与所述第一极性方向相反，则所述顶部位置和所述底部位置之间的区域为潜在熔岩管道区域，所述顶部位置上方和所述底部位置下方的区域为周围非潜在熔岩管道区域。
可选地，所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其中，所述介电特性包括损耗角正切值；
所述分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果，具体包括：
基于频率偏移法分别估算所述潜在熔岩管道区域与周围非潜在熔岩管道区域的损耗角正切值，并作为第一介电特性和第二介电特性；
若所述第一介电特性小于第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域存在熔岩管道；
若所述第一介电特性大于或等于第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域不存在熔岩管道。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种月球次表层下方熔岩管道勘探系统，其中，所述月球次表层下方熔岩管道勘探系统包括：
数据预处理模块，用于收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
数据降噪模块，用于对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
信号极性识别模块，用于识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
介电特性计算模块，用于分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的月球次表层下方熔岩管道勘探程序，所述月球次表层下方熔岩管道勘探程序被所述处理器执行时实现如上所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有月球次表层下方熔岩管道勘探程序，所述月球次表层下方熔岩管道勘探程序被处理器执行时实现如上所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法的步骤。
本发明中，收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。本发明建立了一套熔岩管道探测的方法，提升了月球次表层下方熔岩管道勘探的效率，提高了对熔岩管道判断的准确率，帮助科学家更加深入地了解月球的地质结构和月球上资源分布的情况，为未来的探月任务提供更加精准的目标和方向，从而为月球地下空间的利用和未来人类登陆月球建立基地选址提供有力的参考，对地球上城市道路地下空洞灾害的预警具有重要的指示意义。
附图说明
图1是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探方法的较佳实施例的流程图；
图2是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探方法的较佳实施例的详细流程图；
图3是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探方法的较佳实施例中带通滤波器的幅度－频率关系示意图；
图4是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探方法的较佳实施例中电磁波从低介电常数区域进入高介电常数区域的极性方向变化示意图；
图5是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探方法的较佳实施例中电磁波从高介电常数区域进入低介电常数区域的极性方向变化示意图；
图6是本发明月球次表层下方熔岩管道勘探系统的较佳实施例的原理示意图；
图7为本发明终端的较佳实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明较佳实施例所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，如图1和图2所示，所述月球次表层下方熔岩管道勘探方法包括以下步骤：
步骤S10、收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据。
具体地，探地雷达着陆于月球表面，通过所述探地雷达的发射天线向月面下辐射、耦合超宽带电磁脉冲信号，所述超宽带电磁脉冲信号在月壤和月壳介质的传播过程中，如果遇到不均匀层、不同介质交界面、熔岩管道、飘石等目标，将产生超宽带电磁波脉冲信号的反射、透射以及散射，所述探地雷达的接收天线接收到所述反射和散射信号，所述反射和散射信号即为所述探地雷达收集到的雷达数据，但此时的雷达数据中存在大量的冗余数据所以需要对所述雷达数据进行数据的预处理，以获得预处理完成的雷达数据。
进一步地，所述对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据，具体包括：
读取每道所述雷达数据的道头文件中的科学参数，根据所述科学参数对所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，并基于雷达遥测通道获取遥测数据；将所述遥测数据按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变；若所述空间位置未发生改变，则删除任意一道所述第二雷达数据，直至所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，获得多道第三雷达数据；对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作，完成对所述雷达数据的数据预处理，获得所述预处理雷达数据。
具体地，由于探地雷达的工作模式是边行走边探测，例如，月球车在原地转弯或停留工作时，探地雷达一直在探测月表下的地质结构并接收数据，这导致此时探地雷达收集的雷达数据中存在重复无效的冗余数据，在对雷达数据进行解译之前，需要将这部分冗余的雷达数据剔除。首先，读取每个雷达数据道头文件中的科学参数，其中，所述道头文件是雷达数据中用来描述文件结构和包含数据信息的开头部分，所述科学参数通常包含文件版本、数据类型、数据格式、数据维度、数据大小、数据采样率等信息，探地雷达通过科学参数分辨雷达数据，以便对雷达数据进行正确的解析和使用。然后根据所述科学参数，对每道所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，所述第一雷达数据为完成去累加和归一化操作的雷达数据。然后探地雷达获取从雷达遥测通道传回来的遥测数据，所述遥测数据指的是与探地雷达运行相关的各类数据，比如探地雷达在月球表面各个点位所探测数据的时间和位置信息、探地雷达的电力供应状态、探地雷达部件的温度、湿度等环境参数、天线朝向的角度、脉冲宽度、重复频率、扫描速度等探地雷达自身工作状态参数等信息。
由于雷达数据道头文件中的时间都是由儒略秒存取的，所以将所述遥测数据的时间信息转化为儒略秒时间，然后比对所述第一雷达数据道头文件中的时间信息，将所述遥测数据中的时间和位置信息按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头文件中，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据中的位置信息，判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变，如果所述空间位置没有发生改变，则证明这两道第二雷达数据探测的是同一个位置的地质结果，所以删除任意一道所述第二雷达数据，保留任意一道即可。通过以上方式循环判断所有第二雷达数据并删除重复的第二雷达数据，直到所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，也就是每个空间位置的第二雷达数据有且仅有一道，此时，获得第三雷达数据，所述第三雷达数据为空间位置不重复的雷达数据。通过往雷达数据道头文件中插入遥测数据，可以帮助定位探地雷达探测的地质结构的具体位置，使得技术人员能更好地区分雷达数据的位置。
由于第三雷达数据的平均值通常会偏离零值，所述零值指探地雷达系统的信号发射和接收的基准值，在探地雷达系统的发射和接收过程中，采用了一些基准值或基准点来表示信号强度、速度等参数的变化，这些基准值通常都是固定的，比如信号的闲置功率或是特定码元值，被用作衡量信号变化的基准标准。探地雷达的直流分量指的是探地雷达系统中产生的直流漂移，它可以对探地雷达测量信号的准确性产生影响。在探地雷达接收机中，电路常常需要对接收信号进行放大和滤波等处理，这往往会产生一些误差，导致接收到的信号中存在偏移，也就是存在持续的直流成分，这种偏移通常被称为直流分量，直流分量可以是由于不同温度下元器件或电路不同的电阻导致的漂移，也可以是由于噪声或其他外部干扰引起的。所以为了消除直流分量对后续解析操作的影响，需要对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作。首先计算滑动窗口为N个的第三雷达数据的平均值，然后再用所述第三雷达数据减去所述平均值，便可得到去直流分量操作后的预处理雷达数据，其直流分量具体公式为：
；
其中，为去直流分量操作后的预处理雷达数据，n是采样点数，/>为第三雷达数据，N是计算滑动窗口的个数。经过去直流分量操作处理之后的预处理雷达数据的质量优于第三雷达数据，通过去直流分量操作减小了雷达数据的偏移，降低了噪声的干扰，提高了雷达数据的精确度。但此时，所述预处理雷达数据还没有达到可以用于解译地下结构信息的程度，所以仍需对所述预处理雷达数据进行降噪处理。
步骤S20、对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号。
具体地，对所述预处理雷达数据进行降噪处理，其中，所述降噪处理包括背景去除操作、带通滤波操作和弱信号增强处理，对所述预处理雷达数据降噪处理完之后获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获取双曲线回波信号，以便后续对地下结构信息的初步判断。
进一步地，所述对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，具体包括：
对所述预处理雷达数据进行背景去除操作，计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，基于所述预处理雷达数据减去所述平均值，获得第四雷达数据；然后将所述第四雷达数据输入预先设置的带通滤波器中，除去所述第四雷达数据中工作频率范围之外的噪声信号，获得第五雷达数据；再对所述第五雷达数据进行弱信号增强处理，获得所述目标雷达数据。
具体地，首先计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，然后将所述预处理雷达数据中水平方向上的每道数据减去所述平均值，便可以实现背景去除操作，获得第四雷达数据，具体的背景去除公式为：
；
其中，为经过背景去除操作后的第四雷达数据，/>为预处理雷达数据，Na为单道波形采样点数，a为A-scan波形，n为采样点数。通过对预处理雷达数据进行背景去除操作，减小了杂波对雷达图像解译的影响，降低了对雷达图像解译的难度，保证了解译信息的准确性。
然后，经过背景去除的第四雷达数据中存在工作频率范围之外的噪声信号，对于这些噪声信号无法通过背景去除操作滤除，需要设计带通滤波器去除这部分噪声信号。在本发明的一个优选实施例中，带通滤波器典型的幅度－频率关系曲线如图3所示，图3中的低端截止频率和高端截止频率之外的区域称为阻带，相应的低端频率至高端频率之间的区域称为通带，通带和阻带之间的区域称为过渡带。例如，对探地雷达高频通道进行带通滤波处理，需要设计通带为250MHz–750MHz，该频率通带之外的信号将被滤除，仅保留预设的工作频率范围之内的信号，获得第五雷达数据。
最后，由于雷达数据在有耗介质中进行传播时会产生损耗，所以需要对进行带通滤波后的第五雷达数据进行弱信号增强处理，其中，有耗介质为月壤、岩石等除真空之外的介质。在本发明的一个优选实施例中，对从深层返回的第五雷达数据进行弱信号增强处理采用的是基于电磁波传播的能量补偿方法，因为电磁波在有耗介质中传播时，电磁波产生的主要衰减由距离项和指数项构成，因此通过对所述第五雷达数据在距离项和指数项的进行补偿，即可增强深层返回的第五雷达数据，完成对预处理雷达数据的降噪操作，获得目标雷达数据。
其中，在本发明的一个优选实施例中，所述对第五雷达数据在距离项和指数项进行补偿的方式具体为：采用SEC增益补偿，即在探测深度较浅的区域，雷达信号所受干扰和衰减较少，因此可以降低信号增益，防止过度放大信号；而在探测深度较深的区域，由于雷达信号经过多次衰减和干扰，信号弱化严重，因此需要增加信号增益，以提高信噪比和分辨率。
进一步地，所述根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号，具体包括：
根据所述目标雷达数据绘制雷达回波图；然后根据所述雷达回波图获得所述双曲线回波信号。
具体地，根据所述目标雷达数据绘制雷达回波图，所述雷达回波图通常采用二维线状图来表示，其中水平轴表示距离，垂直轴表示深度，各个数据点则表示不同深度和距离上的电磁波信号强度。由于熔岩管道的顶部和底部空气/岩石界面可以强烈反射雷达发射波，且熔岩管道顶部和底部的反射会显示相反的极性，所以根据目标雷达数据绘制出来的雷达回波图会呈现出两条垂直对齐的双曲线，一条源于熔岩管道顶部，一条源于熔岩管道底部，然后根据所述雷达回波图直接获得目标雷达数据的双曲线回波信号。
进一步地，所述收集雷达数据之前还包括：
在雷达进行作业时，记录雷达发射波的极性方向，作为第一极性方向。
具体地，在探地雷达进行探地作业时，探地雷达通过发射天线向月面下辐射、耦合超宽带电磁脉冲信号（雷达发射波），在发射时记录雷达发射波的极性方向，并作为第一极性方向，用于后续的对比判断。
步骤S30、识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域。
具体地，如图4和图5所示，由于电磁波的传播特性，当电磁波从低介电常数区域进入高介电常数区域时，电磁波的极性方向会在分界面产生反转，当电磁波从高介电常数区进入低介电常数区域时，电磁波的极性方向不发生反转，所以可以根据回波信号的极性方向来判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域。
进一步地，所述识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域，具体包括：
根据所述双曲线回波信号确定潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置以及分别对应的顶部位置回波信号和底部位置回波信号；识别所述顶部位置回波信号的极性方向，作为第二极性方向；识别所述底部位置回波信号的极性方向，作为第三极性方向；将所述第二极性方向和所述第三极性方向分别与所述第一极性方向进行对比；若所述第二极性方向与所述第一极性方向一致，且所述第三极性方向与所述第一极性方向一致，则所述顶部位置和所述底部位置之间的区域为潜在熔岩管道区域，所述顶部位置上方和所述底部位置下方的区域为周围非潜在熔岩管道区域。
具体地，由于根据雷达回波图的获取的双曲线回波信号为两条垂直对齐的双曲线，所以根据所述双曲线可以确定潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置以及分别对应的顶部位置回波信号和底部位置回波信号，识别顶部位置回波信号的极性方向，并作为第二极性方向，识别底部位置回波信号的极性方向，并作为第三极性方向。因为在月壳下，月壤和岩石属于高介电常数区域，真空或空气属于低介电常数区域，所以将所述第二极性方向和所述第三极性方向分别与所述第一极性方向进行对比，如果第二极性方向和第一极性方向一致，则表示电磁波由高介电常数区域进入低介电常数区域，如果第三极性方向和第一极性方向相反，则证明电磁波由低介电常数区域进入高介电常数区域，此时可以做出初步判断：潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置之间存在低介电常数区域，为潜在熔岩管道区域，并将周围的高介电常数区域作为周围非潜在熔岩管道区域。
在实际应用的场景中，例如，雷达发射机向月壳下发射了一个正极性方向的超宽带电磁脉冲信号（正雷达发射波），月表反射回波的极性方向应该为负，因为空气/真空属于低介电常数区域，而地表/月表属于相对高介电常数区域，故而极性偏转，当电磁波在介质中继续传播，达到熔岩管道的上壁，此时回波信号的极性方向仍与雷达发射波的极性方向一致，当电磁波从熔岩管道的上壁进入熔岩管道的顶部空腔位置时，属于高介电常数区域进入低介电常数区域，此时回波信号的极性方向不发生偏转，仍与雷达发射波的极性方向一致。当电磁波在空腔中传播，并从熔岩管道的底部空腔位置并进入熔岩管道的下壁时，回波信号的极性发生反转，所以熔岩管道底部位置的回波信号的极性方向与雷达发射波的极性方向相反，因此可以做出相应的初步判断，判断出潜在熔岩管道区域与周围非潜在熔岩管道区域。
步骤S40、分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
具体地，在通过回波信号极性方向对潜在熔岩管道区域和周围非熔岩管道区域进行了初步判断之后，再计算所述潜在熔岩管道区域的介电特性，作为第一介电特性，计算所述周围非潜在熔岩管道区域的介电特性，作为第二介电特性，将所述第一介电特性和第二介电特性进行对比，根据对比结果输出对熔岩管道是否存在的判断结果。
其中，所述介电特性包括损耗角正切值。
进一步地，所述分别计算所述潜在熔岩管道区域与周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果，具体包括：
基于频率偏移法分别估算所述潜在熔岩管道区域与周围非潜在熔岩管道区域的损耗角正切值，并作为第一介电特性和第二介电特性；若所述第一介电特性小于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域存在熔岩管道；若所述第一介电特性大于或等于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域不存在熔岩管道。
具体地，基于频率偏移法分别估算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的损耗角正切值，并作为第一介电特性和第二介电特性，其中，所述频率偏移法是一种测量材料内部损耗角正切的方法，基本原理为：在超声波脉冲中，输入、输出信号之间包含了材料内部的能量衰减信息，通过测量超声波在不同频率下的能量衰减，从而得到材料的损耗角正切值。因为电磁波在空气或真空中进行传播时，电磁波的电磁损耗几乎可以忽略（这里仅针对探测范围为几米至十几米的空气/真空范围），而在有耗介质中进行传播时，回波信号的频率相对于发射信号的频率有所展宽，即发生了频率偏移现象，所以在有耗介质中的损耗角正切值会大于空气/真空中的损耗角正切值。在分别介电特性后，将第一介电特性和第二介电特性进行对比，如果第一介电特性小于第二介电特性，则证明潜在熔岩管道区域为空气/真空区域，符合熔岩管道区域的特征，可以做出最终判断：潜在熔岩管道区域存在熔岩管道；如果第一介电特性大于或等于第二节点特性，则证明潜在熔岩管道区域不为空气/真空区域，所以做出判断：潜在熔岩管道区域不存在熔岩管道。
需要说明的是，估算损耗角正切值的方法主要有频率偏移法和振幅衰减法，在近场探测模式下，探地雷达反射回波的振幅容易受到散射、几何传播以及发射与接收天线耦合等影响，所以本发明采用频率偏移法会更加可靠，通过对初步判断的二次验证，使得对熔岩管道的判断更准确，提高了对月球次表层下熔岩管道探测的效率。
估算损耗角正切值的方法主要有频率偏移法和振幅衰减法，在近场探测模式下，探月雷达反射回波的振幅容易受到散射、几何传播以及发射与接收天线耦合等影响，而频率偏移法相对比较可靠。
进一步地，如图6所示，基于上述月球次表层下方熔岩管道勘探方法，本发明还相应提供了一种月球次表层下方熔岩管道勘探系统，其中，所述月球次表层下方熔岩管道勘探系统包括：
数据预处理模块51，用于收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
数据降噪模块52，用于对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
信号极性识别模块53，用于识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
介电特性计算模块54，用于分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
进一步地，如图7所示，基于上述月球次表层下方熔岩管道勘探方法和系统，本发明还相应提供了一种终端，所述终端包括处理器10、存储器20及显示器30。图7仅示出了终端的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
所述存储器20在一些实施例中可以是所述终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述终端的外部存储设备，例如所述终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（SecureDigital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，所述存储器20还可以既包括所述终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述终端的应用软件及各类数据，例如所述安装终端的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有月球次表层下方熔岩管道勘探程序40，该月球次表层下方熔岩管道勘探程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请中月球次表层下方熔岩管道勘探方法。
所述处理器10在一些实施例中可以是一个中央处理器（Central ProcessingUnit, CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述月球次表层下方熔岩管道勘探方法等。
所述显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。所述显示器30用于显示在所述终端的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述终端的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中月球次表层下方熔岩管道勘探程序40时实现以下步骤：
收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
其中，所述对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据，具体包括：
读取每道所述雷达数据的道头文件中的科学参数，根据所述科学参数对每道所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，并基于雷达遥测通道获取遥测数据；
将所述遥测数据按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头文件中，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变；
若所述空间位置未发生改变，则删除任意一道所述第二雷达数据，直至所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，获得多道第三雷达数据；
对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作，完成对所述雷达数据的数据预处理，获得所述预处理雷达数据。
其中，所述对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，具体包括：
对所述预处理雷达数据进行背景去除操作，计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，基于所述预处理雷达数据减去所述平均值，获得第四雷达数据；
将所述第四雷达数据输入预先设置的带通滤波器中，除去所述第四雷达数据中工作频率范围之外的噪声信号，获得第五雷达数据；
对所述第五雷达数据进行弱信号增强处理，获得所述目标雷达数据。
其中，所述根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号，具体包括：
根据所述目标雷达数据绘制雷达回波图；
根据所述雷达回波图获得所述双曲线回波信号。
其中，所述收集雷达数据之前还包括：
在雷达进行作业时，记录雷达发射波的极性方向，作为第一极性方向。
其中，所述识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域，具体包括：
根据所述双曲线回波信号确定潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置以及分别对应的顶部位置回波信号和底部位置回波信号；
识别所述顶部位置回波信号的极性方向，作为第二极性方向；
识别所述底部位置回波信号的极性方向，作为第三极性方向；
将所述第二极性方向和所述第三极性方向分别与所述第一极性方向进行对比；
若所述第二极性方向与所述第一极性方向一致，且所述第三极性方向与所述第一极性方向相反，则所述顶部位置和所述底部位置之间的区域为潜在熔岩管道区域，所述顶部位置上方和所述底部位置下方的区域为周围非潜在熔岩管道区域。
其中，所述介电特性包括损耗角正切值；
所述分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果，具体包括：
基于频率偏移法分别估算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的损耗角正切值，并作为第一介电特性和第二介电特性；
若所述第一介电特性小于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域存在熔岩管道；
若所述第一介电特性大于或等于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域不存在熔岩管道。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有月球次表层下方熔岩管道勘探程序，所述月球次表层下方熔岩管道勘探程序被处理器执行时实现如上所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法的步骤。
综上所述，本发明提供一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法及相关设备，所述方法包括：收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。本发明建立了一套熔岩管道探测的方法，提升了月球次表层下方熔岩管道勘探的效率，提高了对熔岩管道判断的准确率，帮助科学家更加深入地了解月球的地质结构和月球上资源分布的情况，为未来的探月任务提供更加精准的目标和方向，从而为月球地下空间的利用和未来人类登陆月球建立基地选址提供有力的参考，对地球上城市道路地下空洞灾害的预警具有重要的指示意义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件（如处理器，控制器等）来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其特征在于，所述月球次表层下方熔岩管道勘探方法包括：
收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
所述对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据，具体包括：
读取每道所述雷达数据的道头文件中的科学参数，根据所述科学参数对每道所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，并基于雷达遥测通道获取遥测数据；
将所述遥测数据按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头文件中，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变；
若所述空间位置未发生改变，则删除任意一道所述第二雷达数据，直至所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，获得多道第三雷达数据；
对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作，完成对所述雷达数据的数据预处理，获得所述预处理雷达数据；
所述去直流分量操作的具体公式为：
；
其中，为去直流分量操作后的预处理雷达数据，n是采样点数，/>为第三雷达数据，N是计算滑动窗口的个数；
对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
所述对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，具体包括：
对所述预处理雷达数据进行背景去除操作，计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，基于所述预处理雷达数据减去所述平均值，获得第四雷达数据；
将所述第四雷达数据输入预先设置的带通滤波器中，除去所述第四雷达数据中工作频率范围之外的噪声信号，获得第五雷达数据；
对所述第五雷达数据进行弱信号增强处理，获得所述目标雷达数据；
所述背景去除操作的具体公式为：
；
其中，为经过背景去除操作后的第四雷达数据，/>为预处理雷达数据，Na为单道波形采样点数，a为A-scan波形，n为采样点数；
识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
2.根据权利要求1所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其特征在于，所述根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号，具体包括：
根据所述目标雷达数据绘制雷达回波图；
根据所述雷达回波图获得所述双曲线回波信号。
3.根据权利要求2所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其特征在于，所述收集雷达数据之前还包括：
在雷达进行作业时，记录雷达发射波的极性方向，作为第一极性方向。
4.根据权利要求3所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其特征在于，所述识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域，具体包括：
根据所述双曲线回波信号确定潜在熔岩管道的顶部位置和底部位置以及分别对应的顶部位置回波信号和底部位置回波信号；
识别所述顶部位置回波信号的极性方向，作为第二极性方向；
识别所述底部位置回波信号的极性方向，作为第三极性方向；
将所述第二极性方向和所述第三极性方向分别与所述第一极性方向进行对比；
若所述第二极性方向与所述第一极性方向一致，且所述第三极性方向与所述第一极性方向相反，则所述顶部位置和所述底部位置之间的区域为潜在熔岩管道区域，所述顶部位置上方和所述底部位置下方的区域为周围非潜在熔岩管道区域。
5.根据权利要求4所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法，其特征在于，所述介电特性包括损耗角正切值；
所述分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果，具体包括：
基于频率偏移法分别估算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的损耗角正切值，并作为第一介电特性和第二介电特性；
若所述第一介电特性小于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域存在熔岩管道；
若所述第一介电特性大于或等于所述第二介电特性，则所述判断结果为潜在熔岩管道区域不存在熔岩管道。
6.一种月球次表层下方熔岩管道勘探系统，其特征在于，所述月球次表层下方熔岩管道勘探系统包括：
数据预处理模块，用于收集雷达数据，对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据；
所述对所述雷达数据进行数据预处理，获得预处理雷达数据，具体包括：
读取每道所述雷达数据的道头文件中的科学参数，根据所述科学参数对每道所述雷达数据进行去累加和归一化操作，获得多道第一雷达数据，并基于雷达遥测通道获取遥测数据；
将所述遥测数据按时间顺序插入每道所述第一雷达数据的道头文件中，获得多道第二雷达数据，并根据所述遥测数据判断任意两道所述第二雷达数据的空间位置是否发生改变；
若所述空间位置未发生改变，则删除任意一道所述第二雷达数据，直至所有所述第二雷达数据的空间位置不重复，获得多道第三雷达数据；
对每道所述第三雷达数据进行去直流分量操作，完成对所述雷达数据的数据预处理，获得所述预处理雷达数据；
所述去直流分量操作的具体公式为：
；
其中，为去直流分量操作后的预处理雷达数据，n是采样点数，/>为第三雷达数据，N是计算滑动窗口的个数；
数据降噪模块，用于对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，并根据所述目标雷达数据获得双曲线回波信号；
所述对所述预处理雷达数据进行降噪处理，获得目标雷达数据，具体包括：
对所述预处理雷达数据进行背景去除操作，计算所述预处理雷达数据中水平方向上每道数据的平均值，基于所述预处理雷达数据减去所述平均值，获得第四雷达数据；
将所述第四雷达数据输入预先设置的带通滤波器中，除去所述第四雷达数据中工作频率范围之外的噪声信号，获得第五雷达数据；
对所述第五雷达数据进行弱信号增强处理，获得所述目标雷达数据；
所述背景去除操作的具体公式为：
；
其中，为经过背景去除操作后的第四雷达数据，/>为预处理雷达数据，Na为单道波形采样点数，a为A-scan波形，n为采样点数；
信号极性识别模块，用于识别所述双曲线回波信号的极性方向，根据所述双曲线回波信号的极性方向判断出潜在熔岩管道区域和周围非潜在熔岩管道区域；
介电特性计算模块，用于分别计算所述潜在熔岩管道区域与所述周围非潜在熔岩管道区域的第一介电特性和第二介电特性，并将所述第一介电特性和所述第二介电特性进行对比，输出判断结果。
7.一种终端，其特征在于，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的月球次表层下方熔岩管道勘探程序，所述月球次表层下方熔岩管道勘探程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法的步骤。
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月球次表层下方熔岩管道勘探程序，所述月球次表层下方熔岩管道勘探程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的月球次表层下方熔岩管道勘探方法的步骤。
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| Title |
|---|
| Chunyu Ding等.A potential subsurface cavity in the continuous ejecta deposits of the Ziwei crater discovered by the Chang'E-3 mission.Earth，Planets and Space.2021,摘要，第2-12页及附图1-5. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116413719A (zh) | 2023-07-11 |
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Legal Events
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