一种月壤厚度估计方法、装置及存储介质

1.本发明涉及月球地质结构探测技术领域，尤其是涉及一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法、装置及存储介质。

背景技术：

2.月球表面主要由一层风化物质所覆盖，基岩仅少量裸露于熔岩通道和陡峭的火山口墙壁处。尽管光学设备可以提供高分辨率的月表影像、地形信息及矿物成分，受陨石撞击和太阳风化作用的影响，地质构造的关键线索可能被掩盖在月表下。因此，通过具有高穿透能力的雷达对月球次表层进行探测将极大的提高我们对月球地质构造的认识。在过去10年间，中国利用嫦娥一号携带的微波辐射计对月壤厚度进行了探测分析，但受限于频率及月壤的介电特性，嫦娥一号微波辐射计的最大探测深度约6米。这个深度与月海地区月壤的平均厚度接近，远低于高地区域10～15米的平均厚度。与轨道器雷达设备相比，月表的原位探测能获取更精准的次表层构造和详细的介电特性。因此，通过原位雷达及光谱设备对月球表层及次表层进行综合分析，可以增强对月球地壳和地幔矿物学、大型盆地形成及月球历史演变的理解。
3.介电常数作为决定雷达波传播速度的重要参数，在地层厚度反演及雷达数据的时间-深度转换起到重要作用。自玉兔一号搭载的测月雷达数据传回国内以来，双曲线法就被广泛应用月壤的介电常数反演。该方法主要根据点状目标的雷达回波呈现出明显的双曲线特性，选取双曲线顶点和曲线上任意一点通过其相应几何特性对顶点位置的介电常数进行反演。但该方法仅能对产生明显双曲线回波特征的点目标进行反演，无法获取二维雷达回波数据中的每一个采样点的介电常数值，从而在进行月壤厚度反演中引入较大的误差。

技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法、装置及存储介质，克服双曲线法仅能进行点目标反演的不足，将双曲线法和有限带宽波阻抗法进行有效结合，实现月球次表层二维介电常数剖面的反演，提高月壤厚度估计的预测精度。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，包括以下步骤：
7.步骤1)获取测月雷达数据，其中，所述测月雷达数据包括雷达回波；
8.步骤2)对测月雷达数据进行预处理；
9.步骤3)基于预处理后的测月雷达数据进行地层划分，并提取月壤层数据；
10.步骤4)基于双曲线法对月壤层数据中的雷达回波中的点目标进行介电常数反演，得到初始介电常数；
11.步骤5)基于有限带宽波阻抗法和初始介电常数进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数；
12.步骤6)基于介电常数估计月壤厚度。
13.所述步骤2)包括以下步骤：
14.步骤2-1)去除测月雷达数据中的重复数据；
15.步骤2-2)零时刻校正：以雷达回波中真空-月壤的强回波所在的回波时刻对齐各列数据；
16.步骤2-3)直流偏移校正；
17.步骤2-4)背景噪音抑制；
18.步骤2-5)带通滤波，保留中心频率附近信息；
19.步骤2-6)回波增益：基于雷达回波时间对深层回波进行振幅补偿。
20.所述初始介电常数用于补偿直流偏移矫正造成的低频信息损失。
21.所述地层包括月壤层、溅射物层、古月壤和基岩层。
22.所述步骤4)包括以下步骤：
23.步骤4-1)设双曲线顶点处的坐标为(x0，t0)，双曲线上另一点的坐标为(x1，t1)，确定雷达波在天线与双曲线顶点的平均速度v：
[0024][0025]
步骤4-2)根据雷达波传播速度与介电常数ε的反比关系其中，ε≥1，推导出至双曲线顶点处的初始介电常数：
[0026][0027]
其中，c为雷达波在真空中的传播速度；
[0028]
步骤4-3)基于步骤4-1)和步骤4-2)计算雷达回波中每一离散点目标的初始介电常数。
[0029]
所述步骤5)包括以下步骤：
[0030]
步骤5-1)获取步骤4-3)中得到的每一离散点目标的初始介电常数；
[0031]
步骤5-2)对初始介电常数进行多次多项式拟合，确定最优拟合结果，生成拟合曲线；
[0032]
步骤5-3)将拟合曲线作为有限带宽波阻抗法中的全局约束带入有限带宽波阻抗法中，进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数。
[0033]
所述多项式拟合的拟合优度评价指标为修正残差平方和，所述修正残差平方和通过对残差平方和施加一个惩罚项得到，其中，所述惩罚项基于多项式拟合的阶数确定，阶数越高，惩罚项的值越大。
[0034]
所述测月雷达数据还包括巡视器位置、巡视器移动速度。
[0035]
一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的方法。
[0036]
一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述所述的方法。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
(1)本发明克服了双曲线法仅能进行点目标反演的不足，将双曲线法和有限带宽波阻抗法进行有效结合，利用双曲线法补偿直流偏移矫正造成的低频信息损失，实现了月
球此表层二维介电常数剖面的反演。
[0039]
(2)现有的月壤厚度探测多基于固定的介电常数值，未考虑介电常数在三维空间中存在的空间异质性，本发明基于二维介电常数剖面能够准确获取雷达探测范围内任一位置的月壤厚度，提高了月壤厚度的预测精度。
附图说明
[0040]
图1为本发明的方法流程图；
[0041]
图2为嫦娥四号着陆区与玉兔二号移动路径图；
[0042]
图3为前27月昼地层划分结果图；
[0043]
图4为双曲线法示意图；
[0044]
图5为前27月昼双曲线法反演的初始介电常数及其对应的双曲线顶点位置示意图；
[0045]
图6为双程回波时间与初始介电常数的二次多项式拟合曲线图，其中，(a)为全部数据拟合，(b)为分组拟合；
[0046]
图7为有限带宽波阻抗法反演的玉兔二号巡视路径下的介电常数分布图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048]
一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
步骤1)获取测月雷达数据；
[0050]
获取测月雷达2b级数据，根据头文件数据格式实现雷达回波、巡视器位置、巡视器移动速度等信息的读取。结合着陆区影像，绘制玉兔二号巡视器移动路径，如图2所示。
[0051]
步骤2)对测月雷达数据进行预处理。
[0052]
步骤2-1)去除测月雷达数据中因巡视器在原地停留产生的重复数据；
[0053]
步骤2-2)零时刻校正：以雷达回波中真空-月壤的强回波所在的回波时刻对齐各列数据；
[0054]
步骤2-3)直流偏移校正；
[0055]
步骤2-4)背景噪音抑制；
[0056]
步骤2-5)带通滤波，保留中心频率附近信息；
[0057]
步骤2-6)回波增益：基于雷达回波时间对深层回波进行振幅补偿。
[0058]
此直流偏移校正、背景噪音抑制、带通滤波具体属于本领域的常规设置，为了避免本技术的目的模糊，故在此不再赘述。
[0059]
步骤3)基于预处理后的测月雷达数据进行地层划分，并提取月壤层数据；
[0060]
根据雷达回波数据的振幅及形态特征，对嫦娥四号着陆区的地质结构进行探测，结果表明前450ns的雷达回波分为4层构造：月壤层(layer i)、溅射物层(layer ii)、古月壤层(layer iii)及基岩层(layer iv)。450ns后的雷达回波由于信号较弱难以有效分辨出地层信息。月壤层物质的介电常数变化较小，雷达回波振幅较低，主要集中在前250ns内，但
该层时间厚度变化较大，最小值出现在第15月昼(75ns)，最大值出现在22至27月昼(250ns)。月壤层下面的是内部具有多个层状结构的溅射物层。该层内部因为溅射物及岩石与填充在周围的细腻月壤介电常数差异较大，在雷达回波上表现为强弱振幅沿双程回波时间方向交替出现。溅射物层下方是由密集的弱振幅回波构成的古月壤层，这些细腻的物质曾经出现在月表，但被后来的陨石撞击及火山喷发的物质所掩埋。古月壤层集中在以350ns为中心，50ns宽的区域内。值得注意的是4至5月昼和26至27月昼的古月壤层厚度接近平均厚度的两倍。基岩层则主要由集中于400ns 450ns的强振幅回波构成，该层深度在整个27月昼数据中变化较小，仅在第7至9月昼减少至350ns，如图3所示。
[0061]
步骤4)基于双曲线法对月壤层数据中的雷达回波中的点目标进行介电常数反演，得到初始介电常数；
[0062]
雷达的反射波主要由传播过程中物质介电常数的差异导致，当雷达波在均匀介质中传播时不会产生反射波。在测月雷达数据中，当离散的物体与周围存在较大介电常数差异时，会在雷达影像上产生双曲线形状，如图4所示。
[0063]
步骤4-1)设双曲线顶点处的坐标为(x0，t0)，双曲线上另一点的坐标为(x1，t1)，确定雷达波在天线与双曲线顶点的平均速度v：
[0064][0065]
步骤4-2)根据雷达波传播速度与介电常数ε的反比关系其中，ε≥1，推导出至双曲线顶点处的初始介电常数：
[0066][0067]
其中，c为雷达波在真空中的传播速度；
[0068]
步骤4-3)基于步骤4-1)和步骤4-2)计算雷达回波中每一离散点目标的初始介电常数。
[0069]
基于双曲线法，在前27月昼数据中选取175个离散点目标进行介电常数的反演，得到初始介电常数，其空间分布及各点的初始介电常数值如图5所示。大部分反演点数据集中在前100ns且其介电常数随双程回波时间(深度)的增长而增加。同一深度不同月昼区域介电常数也存在一定差异，其中10至17月昼同一深度反演得到的介电常数值明显高于其他月昼。
[0070]
由于测月雷达数据处理中的直流偏移校正可能会造成原始数据中低频信息的损失，因此本发明通过双曲线法反演的初始介电常数进行低频信息的补偿。
[0071]
步骤5)基于有限带宽波阻抗法和初始介电常数进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数；
[0072]
步骤5-1)获取步骤4-3)中得到的每一离散点目标的初始介电常数。
[0073]
步骤5-2)对初始介电常数进行多次多项式拟合，确定最优拟合结果，生成拟合曲线。
[0074]
所述多项式拟合的拟合优度评价指标为修正残差平方和，所述修正残差平方和通过对残差平方和施加一个惩罚项得到，其中，所述惩罚项基于多项式拟合的阶数确定，阶数
越高，惩罚项的值越大。
[0075]
本实施例中，将1-27月昼数据按9个月昼为间隔分成三组，对初始介电常数分别进行一次多项式、二次多项式、三次多项式、四次多项式、指数及对数拟合，以修正残差平方和的最低值作为最佳拟合优度，选取最优多项式拟合的拟合结果，生成拟合曲线，如图6所示。在整体拟合中置信区间内仅有少量数据点，表明双程回波时间与介电常数的拟合关系不具备全局一致性，玉兔二号巡视器移动路径下的月壤介电特性具有一定的空间异质性，如图6(a)所示。而分组拟合中大部分数据点都被包含在相应的置信区间内，如图6(b)所示。因此，也证明了分组拟合的效果更好。
[0076]
步骤5-3)将拟合曲线作为有限带宽波阻抗法中的全局约束带入有限带宽波阻抗法中，进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数。
[0077]
考虑到双曲线法反演的离散点数据集中在前150ns，150ns及月壤层底部边界被共同用作截断条件。图7显示了玉兔2号移动路径下的介电常数剖面，不同月昼的介电常数存在一定差异。在同一深度，二维介电常数剖面反演的介电常数在10至17月昼最大，其次是1至9月昼和19至27月昼。
[0078]
步骤6)基于介电常数估计月壤厚度；
[0079]
每一个采样时刻中雷达回波的传播距离可以表示为：
[0080][0081]
根据步骤6)得到的介电常数计算每一个采样时刻的雷达传播距离，将月壤层的各个采样时刻的传播距离累加，就能够实现对月壤厚度的估计。
[0082]
介电常数越大，雷达波传播速度越慢，同等双程回波时间情况下月壤厚度越窄。具体而言，15至16月昼的双程回波时间最短(约75ns)，而介电常数较高，因此此处的月壤厚度最窄(约6.9m)；双程回波时间最长的是第22至27月昼(约250ns)，经过转化厚度月壤厚度可达18m。
[0083]
上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0084]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)获取测月雷达数据，其中，所述测月雷达数据包括雷达回波；步骤2)对测月雷达数据进行预处理；步骤3)基于预处理后的测月雷达数据进行地层划分，并提取月壤层数据；步骤4)基于双曲线法对月壤层数据中的雷达回波中的点目标进行介电常数反演，得到初始介电常数；步骤5)基于有限带宽波阻抗法和初始介电常数进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数；步骤6)基于介电常数估计月壤厚度。2.根据权利要求1所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：步骤2-1)去除测月雷达数据中的重复数据；步骤2-2)零时刻校正：以雷达回波中真空-月壤的强回波所在的回波时刻对齐各列数据；步骤2-3)直流偏移校正；步骤2-4)背景噪音抑制；步骤2-5)带通滤波，保留中心频率附近信息；步骤2-6)回波增益：基于雷达回波时间对深层回波进行振幅补偿。3.根据权利要求2所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述初始介电常数用于补偿直流偏移矫正造成的低频信息损失。4.根据权利要求1所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述地层包括月壤层、溅射物层、古月壤和基岩层。5.根据权利要求1所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述步骤4)包括以下步骤：步骤4-1)设双曲线顶点处的坐标为(x0，t0)，双曲线上另一点的坐标为(x1，t1)，确定雷达波在天线与双曲线顶点的平均速度v：步骤4-2)根据雷达波传播速度与介电常数ε的反比关系其中，ε≥1，推导出至双曲线顶点处的初始介电常数：其中，c为雷达波在真空中的传播速度；步骤4-3)基于步骤4-1)和步骤4-2)计算雷达回波中每一离散点目标的初始介电常数。6.根据权利要求5所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述步骤5)包括以下步骤：步骤5-1)获取步骤4-3)中得到的每一离散点目标的初始介电常数；步骤5-2)对初始介电常数进行多次多项式拟合，确定最优拟合结果，生成拟合曲线；
步骤5-3)将拟合曲线作为有限带宽波阻抗法中的全局约束带入有限带宽波阻抗法中，进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数。7.根据权利要求6所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述多项式拟合的拟合优度评价指标为修正残差平方和，所述修正残差平方和通过对残差平方和施加一个惩罚项得到，其中，所述惩罚项基于多项式拟合的阶数确定，阶数越高，惩罚项的值越大。8.根据权利要求1所述的一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法，其特征在于，所述测月雷达数据还包括巡视器位置、巡视器移动速度。9.一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

技术总结

本发明涉及一种基于有限带宽波阻抗的月壤厚度估计方法、装置及存储介质，其中方法包括以下步骤：步骤1)获取测月雷达数据，其中，所述测月雷达数据包括雷达回波；步骤2)对测月雷达数据进行预处理；步骤3)基于预处理后的测月雷达数据进行地层划分，并提取月壤层数据；步骤4)基于双曲线法对月壤层数据中的雷达回波中的点目标进行介电常数反演，得到初始介电常数；步骤5)基于有限带宽波阻抗法和初始介电常数进行二维介电常数剖面的高效反演，得到介电常数；步骤6)基于介电常数估计月壤厚度。与现有技术相比，本发明具有预测精度高等优点。本发明具有预测精度高等优点。本发明具有预测精度高等优点。