CN103792586A - 基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法包括：步骤A，向探测地点的地下发射线极化电磁波；以及步骤B，接收所述线极化电磁波的回波信号，如果该回波信号中含有椭圆极化波，则判断该探测地点地下存在冰层，否则，判断该探测地点地下不存在冰层。本发明利用冰层与砂土层反射波极化状态的不同可以有效的探测出地下是否有冰层，从原理上解决了对于次表层介电系数连续变化以及分层不明显所带来的误判问题，从而能够有效的判断出探测地点地下冰层的分布情况。

Description

基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法

技术领域

本发明涉及资源勘探技术领域，尤其涉及一种基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法。

背景技术

火星表面没有人工设施，在4亿年前停止了地壳运动。对于火星水体的探测研究有助于理解行星演化历史，火星上是否有生命以及改造火星都有重大意义。

在现有技术中，通常采用微波遥感反演方法来进行火星次表层冰层探测，其主要包括以下步骤：雷达发射电磁波，接收从地表以及次表层的反射波，通过后端的处理技术提取表层和次表层的介电系数，反演出次表层的组成成分是否含有水或者冰层。

然而，当次表层介电系数连续变化，或分层不明显时，则容易产生误判，反演目标组成成分发生错误，有必要寻求其他的水冰探测方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，提出了一种基于水冰晶体各向异性的地下冰层探测方法，以提升水冰探测的准确性。

(二)技术方案

本发明基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法包括：步骤A，向探测地点的地下发射线极化电磁波；以及步骤B，接收所述线极化电磁波的回波信号，如果该回波信号中含有椭圆极化波，则判断该探测地点地下存在冰层，否则，判断该探测地点地下不存在冰层。

(三)有益效果

本发明基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法利用冰层与砂土层反射波极化状态的不同可以有效的探测出地下是否有冰层，由于反射波极化状态的辨别准确性和可靠性均较高，因此该种地下冰层探测方法从原理上解决了对于次表层介电系数连续变化以及分层不明显所带来的误判问题，从而能够有效的判断出探测地地下冰层的分布情况。

附图说明

图1为根据本发明实施例基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法的流程图；

图2为入射线极化电磁波在火星大气中传播的极化状态仿真曲线；

图3为入射线极化电磁波在岩石层和冰层的分界面时的极化状态仿真曲线；

图4为入射线极化电磁波进入冰层后的极化状态仿真曲线；

图5为入射线极化电磁波由冰层反射回空气的极化状态仿真曲线。

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。

在实现本发明的过程中，本发明的申请人通过分析发现，电磁波通过火星中的岩石层时，电磁波的极化态不发生变化，而电磁波通过冰层时，极化状态发生改变，因此可以通过提取回波信号的极化状态把岩石层和冰层的反射信号分开，从而探测出地下冰层。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法。图1为根据本发明实施例基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法的流程图。图2至图5为对图1所示地下冰层探测方法中线极化电磁波状态转换的仿真曲线。四副仿真曲线的横坐标表示传播的深度，单位是米；纵坐标表示电磁波电场的振幅，单位是伏特／米。其中，实线表示与入射波同极化的电场分量，虚线表示与入射波交叉极化的电场分量。

如图1所示，本实施例地下冰层探测方法包括：

步骤A，卫星正下视向火星上探测地点的地下发射线极化电磁波E；

$E={\mathrm{Ae}}^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\·\widehat{\mathrm{\χ}}$

其中，A为电磁波的振幅；K为电磁波在介质中的传播常数；ω为电磁波的频率；

为电磁波的极化方向。

本实施例中，线极化电磁波的波形为载频脉冲，但本发明并不以此为限。该发射波形还可以为无载频脉冲，线性调频脉冲等波形，只要发射源为线极化电磁波，同样能够实现本发明探测地下冰层的目的。

此外，本实例中没有规定发射天线和接收天线的形式，因此，只要能发射线极化电磁波的天线就可以作为发射天线，只要能接收椭圆极化波的天线就可以作为接受天线。

该线极化电磁波从发射到接收所经历的状态如下：

状态1：线极化电磁波首先在火星大气中传播。图2为入射线极化电磁波在火星大气中的极化状态仿真曲线，由图2可知，虚线为零，表明没有入射线极化电磁波电场方向的交叉极化分量，电场矢量只有与入射波电场方向同极化分量。

状态2：入射线极化电磁波从火星大气进入到岩石层并在二者交界面上发生反射与透射。图3为入射线极化电磁波在岩石层和火星大气的分界面时的极化状态仿真曲线。由图3可知，虚线同样为零，表明还是没有入射线极化电磁波电场方向的交叉极化分量，岩石层与火星大气分界面的反射波与透射波均只有与入射波电场方向同极化分量。

状态3，之后透射波在岩石层与冰层的分界面发生反射与透射，透射波在冰层内部分解为两个极化方向相互垂直的电磁波E₁，E₂：

$\begin{array}{c}{E}_1=e^{i(\mathrm{\ωt}+k_{1}z)}\·\widehat{\mathrm{\χ}}+e^{i(\mathrm{\ωt}+k_{1}z)\·\hat{y}}\\ E_2=e^{i(\mathrm{\ωt}+k_{2}z)\·\widehat{\mathrm{\χ}}-e^{i(\mathrm{\ωt}+k_{2}z)}\·\hat{y}}\end{array}$

其中，E₁为平行于冰层晶轴方向的电场分量；E₂为垂直于冰层晶轴方向的电场分量；k₁为电磁波沿平行晶轴方向传播的传播常数；k₂为电磁波沿垂直晶轴方向传播的传播常数。

图4为入射线极化电磁波进入冰层后的极化状态仿真曲线，虚线为电场矢量与入射波电场方向垂直的极化分量。由图4可知，虚线已经不为零了，表明入射线极化电磁波在冰层中转化为椭圆极化波。

状态4，当电磁波从冰层底部反射，两列电磁波的形成相位差△

，则

$\begin{array}{c}{E}_1=e^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz}-\mathrm{\Δ\ϕ})}\·(\widehat{\mathrm{\χ}}+\hat{y})\\ E_2=e^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz})}\·(\widehat{\mathrm{\χ}}-\hat{y})\end{array}$

合成波为椭圆极化波。图5为入射线极化电磁波由冰层反射回空气的极化状态仿真曲线。由图5可知，虚线不为零，则与入射波电场方向垂直的极化分量不为零，说明最终电磁波以椭圆极化态回到火星大气并被雷达接收。

步骤B，接收所述线极化电磁波的回波信号，如果该回波信号中含有椭圆极化波，则判断该探测地点地下存在冰层，否则，判断该探测地点地下不存在冰层。

需要说明的是，本实施例以探测火星上次表层的冰层为例进行说明。然而本发明并不以此为限，如权利要3所述，本发明对探测环境没有限制。

如运用上述方法对火星极地冰盖内部冰层进行探测，此外，运用上述方法对地球、木星、水星、月球等其他星球的次表层或冰盖内部的冰层进行探测也属于本专利所保护的。

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基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法有了清楚的认识。

此外，上述对各方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)无载频脉冲还可以用线性调频脉冲或其他形式的脉冲代替；

(2)上述实施例中的卫星还可以用航天飞行器来代替。

综上所述，本发明利用冰层与砂土层反射波极化状态的不同可以有效的探测出地下是否有冰层，反射波极化状态的辨别准确性和可靠性均较高，因此该种地下冰层探测方法的辨别效果比较好。

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 (6)

1.一种基于冰晶各向异性的地下冰层探测方法，其特征在于，包括：

步骤A，向探测地点的地下发射线极化电磁波；以及

步骤B，接收所述线极化电磁波的回波信号，如果该回波信号中含有椭圆极化波，则判断该探测地点地下存在冰层，否则，判断该探测地点地下不存在冰层。

2.根据权利要求1所述的地下冰层探测方法，其特征在于，所述线极化电磁波为载频脉冲E：

$E={\mathrm{Ae}}^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\·\widehat{\mathrm{\χ}}$

其中，A为电磁波的振幅；K为电磁波在介质中的传播常数；ω为电磁波的频率；

为电磁波的极化方向。

3.根据权利要求2所述的地下冰层探测方法，其特征在于，所述线极化电磁波为无载频脉冲、载频脉冲或线性调频脉冲。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的地下冰层探测方法，其特征在于，用于对地球或地外星球进行次表层或冰盖内部冰层的探测。

5.根据权利要求4所述的地下冰层探测方法，其特征在于，所述地外星球为火星、木星、水星或月球。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的地下冰层探测方法，其特征在于，由卫星或航天飞机实施。

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