CN103605127A - 地下水冰探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下水冰探测方法。该方法通过设置相互垂直安装的收发复用天线和接收天线，收发复用天线向火星表面发射线极化波，如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，即接收到的回波为椭圆极化波，即可判定火星地下存在水冰，相比于现有技术中子测量技术，得到的结果准确性更高。

Description

地下水冰探测方法

技术领域

本发明涉及电子行业雷达探测技术领域，尤其涉及一种利用冰晶体的各向异性导致雷达波在冰层中传播时会产生回波极化图形出现差别的原理的地下水冰探测方法。

背景技术

水或融水在低温下固结的冰称为水冰。在地球上，最常见的水冰是夏季瀑布变为冬季冰瀑布，其属于季节性冰壁。在地外天体如月球、火星上，也有大量水冰存在。据观测，月球北极发现拥有水冰的大量“水囊”，这为宇航员号无人探测器有可能进行的月球探测活动提供了另一个可供选择的研究区域。在宇宙天体上发现水冰是非常激动人心的发现，其可为未来参与月球登陆任务的宇航员提供自然资源。并可以融化后变成饮用水，或者分裂成氧气和氢气，为宇航员及火箭提供呼吸气体和燃料。

目前，对月球及深空地下水冰探测的方法为使用中子探测技术。该方法主要为通过判断氢元素的存在进而判定行星地下是否有水冰存在。该方法的原理是：由于氢核与中子质量相当，因此中子与氢核碰撞会损失很多能量，超热中子经过这种碰撞会迅速慢化成为热中子。假如行星某个区域富含氢，经过该区域的中子在逃离行星前会很快“冷却”，那么该区域上空的中子探测器会检测到超热中子通量的下降和热中子通量的增加。因此氢含量可以通过某种类型中子(如超热中子)的计数率或不同类型中子计数率的相对值来反映。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现：中子测量技术得到的中子谱并不能区分氢的不同化学形式，因此使用该方法并不能得到地下水冰存在的确切证据，并且不能确定水冰层厚度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种地下水冰探测方法，利用双极化测量技术来确定地球或天体上是否存在水冰以及水冰层厚度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种地下水冰探测方法。该地下水冰探测方法包括：步骤A，设置相互垂直的收发复用天线和接收天线；步骤B，由收发复用天线向探测位置地下发射线极化雷达波；步骤C，实时监测收发复用天线和接收天线；以及步骤D，如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，则表明该回波为椭圆极化波，探测位置地下具有水冰。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明地下水冰探测方法具有以下有益效果：

(1)设置相互垂直安装的收发复用天线和接收天线，收发复用天线向火星表面发射线极化波，如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，即接收到的回波为椭圆极化波，即可判定火星地下存在水冰，相比于现有技术中子测量技术，得到的结果准确性更高；

(2)分析同极化回波信号，得到雷达波在火星表面覆盖层中的传播延时τ_D1和雷达波在火星次表层中的传播延时τ_D2，进而求得火星表面覆盖层厚度Z₁和火星次表层，即水冰层的厚度Z₂。

附图说明

图1A为根据本发明实施例地下水冰探测方法的原理示意图；

图1B为根据本发明实施例地下水冰探测方法的流程图；

图2为本实施例仿真采用的天线安装示意图；

图3为本实施例仿真采用的坐标系示意图；

图4为采用本实施例方法仿真的同极化回波功率示意图；

图5为采用本实施例方法仿真的同极化回波功率示意图局部放大图；

图6为采用本实施例方法仿真的交叉极化回波功率示意图局部放大图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种利用双极化测量技术来确定接收到线极化波的方向、振幅、相位、空间位置特征进而确定天体上是否存在水冰以及水冰层厚度的地下水冰探测方法。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种在火星上进行地下水冰探测方法。图1A为根据本发明实施例地下水冰探测方法的原理示意图。图1B为根据本发明实施例地下水冰探测方法的流程图。请参照图1A和图1B，本实施例地下水冰探测方法包括：

步骤A，设置相互垂直的收发复用天线和接收天线，其中，收发复用天线用于发射线极化波以及接收同极化回波信号，接收天线用于接收交叉极化回波信号，两者均为偶极子天线；

图2为本实施例仿真采用的天线安装示意图。请参照图2，载体为一长方体的载体，收发复用天线和接收天线安装在该长方体载体的两正对面，并且均与相应的面呈45°角，从而保证两天线垂直，长方体载体的厚度为2m，收发复用天线和接收天线的中心与长方体载体相应安装面的距离为1.75m。但本领域技术人员应当清楚，本发明并不以此为限。

在本发明的另一个实施例中，载体为长方体，收发复用天线和接收天线安装在长方体载体的同一个面上，但两者相互垂直。在本发明的其他实施例中，该载体还可以为六面体载体，其安装方式与长方体载体相同，只要保证两根天线相互垂直即可，此处不再赘述。

步骤B，由收发复用天线向火星上的探测位置地下发射线极化雷达波，由收发复用天线和接收天线同时接收上述线极化波经由地下介质反射后的回波，其中，线极化雷达波发射频率为UHF波段及UHF波段以下波段；

步骤C，监测收发复用天线和接收天线，判断是否两者同时接收到回波，如果两者同时接收到回波，执行步骤D，否则，执行步骤G；

步骤D，如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，则表明回波为椭圆极化波，探测位置地下具有水冰，执行步骤E；

冰晶体的各向异性导致雷达波在冰层中传播时会产生回波极化图形差异，入射电磁波在交叉极化方向耦合部分能量，同极化方向能量减小，即当发射线极化波时，能够同时接收到与发射线极化波相互垂直方向的线极化波，即接收到的回波为椭圆极化波。

由相关的理论可知，如果回波为椭圆极化波，则可以断定地下次表层为水冰，而不可能是固体介质或石油、岩浆等液体介质，其理论不再赘述。

接收天线的安装方向与收发复用天线的安装方向垂直，其能够接收到与发射线极化波相互垂直方向的线极化波。如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，则可以表明回波信号为椭圆极化波，即可判定火星地下存在水冰。

为验证本实施例的有效性，特进行了仿真实验。图3为本实施例仿真采用的坐标系示意图。请参照图3，该仿真实验使用的天线为30M半波长偶极子天线，两根天线分别安装在一个四面体载体正对面，间距如图3所示。采样点数600个，深度1646米，发射雷达波中心频率为179MHz。

请参照图3，由于冰介质的各向异性，入射电磁波在冰层中传播会出现相互垂直的两个分量，并且这两个分量的方向随着传播发生旋转。图中(x’，y’，z’)所示的坐标系为初始坐标系，亦即观测坐标系，发射天线与初始坐标系的夹角为θ’。(x_i，y_i，z_i)所示的坐标系为电磁波在第i冰层中传播时的坐标系，发射天线与该坐标系的夹角为θ_i。

图4所示为采用本实施例方法仿真的同极化回波功率示意图，图5为采用本实施例方法仿真的同极化回波功率示意图局部放大图，图6为采用本实施例方法仿真的交叉极化回波功率示意图局部放大图。由图4、图5和图6可以看到，当线极化雷达波入射到水冰介质时，接收到的回波为椭圆极化波，证明了本实施例方法的有效性和实用性。

步骤E，由收发复用天线和接收天线接收到回波的第一个峰值和第二个峰值之间的时间差值，得到线极化雷达波在火星表面覆盖层中的第一传播延时τ_D1，由收发复用天线和接收天线接收到回波的第二个峰值和第三个峰值之间的时间差值，得到线极化雷达波在火星次表层-水冰层中的第二传播延时τ_D2；

步骤F，由第一传播延时τ_D1和第二传播延时τ_D2，按照以下公式获取火星表面覆盖层厚度Z₁和火星次表层，即水冰层的厚度Z₂。

$Z_1=\frac{{\mathrm{c\τ}}_{D1}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}}---\left(1\right)$

$Z_2=\frac{{\mathrm{\τ}}_{D2}c}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}---\left(2\right)$

公式1和2中，c为光速；ε_r1为火星表面覆盖层介质相对介电常数。根据Clifford模型，火星覆盖层主要成分为玄武岩，相对介电常数为ε_r1=7.1；ε_r2为火星次表层介质-水冰层的介电常数，ε_r2=3.15。

步骤G，火星探测位置地下不具有水冰，流程结束。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明地下水冰探测方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)虽然上述实施例以火星地下水冰的探测为例进行说明，但本发明同样应用于其他场景下的地下水冰探测，如月球地下水冰的探测；

(2)使用天线的形式在实施例中采用偶极子天线进行说明，但八木天线、对数周期天线、环天线、倒V天线均适用于本发明。

综上所述，本发明提供一种采用双极化测量技术的地下水冰探测方法，其用相互垂直安装的两根天线进行测量；一根天线收发复用，发射线极化波以及接收同极化回波信号；另一根天线只做接收天线，接收交叉极化回波信号，如果收发复用天线和接收天线同时接收到回波，即接收到的回波为椭圆极化波，即可判定地下存在水冰，之后通过分析同极化回波的τ_D1和τ_D2即可判断地下覆盖层和火星地下水冰层的厚度。

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 (10)

1.一种地下水冰探测方法，其特征在于，包括：

步骤A，设置相互垂直的收发复用天线和接收天线；

步骤B，由所述收发复用天线向探测位置地下发射线极化雷达波；

步骤C，实时监测收发复用天线和接收天线；以及

步骤D，如果所述收发复用天线和接收天线同时接收到回波，则表明该回波为椭圆极化波，探测位置地下具有水冰。

2.根据权利要求1所述的地下水冰探测方法，其特征在于，还包括：

步骤E，由所述回波的第一个峰值和第二个峰值之间的时间差，得到线极化雷达波在探测位置地下表层中的第一传播延时τ_D1，由所述回波的第二个峰值和第三个峰值之间的时间差，得到线极化雷达波在探测位置地下次表层-水冰层中的第二传播延时τ_D2；

步骤F，由所述第一传播延时τ_D1和所述第二传播延时τ_D2，按照以下公式获取火星表面覆盖层厚度Z₁和火星次表层-水冰层厚度Z₂：

$Z_1=\frac{{\mathrm{c\τ}}_{D1}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}}$

$Z_2=\frac{{\mathrm{\τ}}_{D2}c}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}$

其中，c为光速；ε_r1为探测位置地下表层介质的相对介电常数；ε_r2为探测位置地下水冰层的介电常数，ε_r2=3.15。

3.根据权利要求2所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述探测位置地下表层的介质为玄武岩，其相对介电常数为ε_r1=7.1。

4.根据权利要求1所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述收发复用天线和接收天线为以下天线类型中的一种：偶极子天线、八木天线、对数周期天线、环天线和倒V天线。

5.根据权利要求4所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述收发复用天线和接收天线均为偶极子天线。

6.根据权利要求1所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述收发复用天线和接收天线分别安装在一长方体载体或者一六面体载体的两正对面。

7.根据权利要求6所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述收发复用天线和接收天线分别安装在一长方体载体的两正对面，并且均与相应的面呈45°角。

8.根据权利要求7所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述长方体载体的厚度为2m，所述收发复用天线和接收天线的中心与所述长方体载体相应安装面的距离为1.75m。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的地下水冰探测方法，其特征在于，用于探测月球或火星的地下水冰。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的地下水冰探测方法，其特征在于，所述线极化雷达波的发射频率为UHF波段及UHF波段以下波段。

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