地下水冰探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種地下水冰探測(cè)方法。該方法通過設(shè)置相互垂直安裝的收發(fā)復(fù)用天線和接收天線，收發(fā)復(fù)用天線向火星表面發(fā)射線極化波，如果收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，即接收到的回波為橢圓極化波，即可判定火星地下存在水冰，相比于現(xiàn)有技術(shù)中子測(cè)量技術(shù)，得到的結(jié)果準(zhǔn)確性更高。
【專利說明】地下水冰探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子行業(yè)雷達(dá)探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用冰晶體的各向異性導(dǎo)致雷達(dá)波在冰層中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波極化圖形出現(xiàn)差別的原理的地下水冰探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水或融水在低溫下固結(jié)的冰稱為水冰。在地球上，最常見的水冰是夏季瀑布變?yōu)槎颈俨?，其屬于季?jié)性冰壁。在地外天體如月球、火星上，也有大量水冰存在。據(jù)觀測(cè)，月球北極發(fā)現(xiàn)擁有水冰的大量“水囊”，這為宇航員號(hào)無人探測(cè)器有可能進(jìn)行的月球探測(cè)活動(dòng)提供了另一個(gè)可供選擇的研究區(qū)域。在宇宙天體上發(fā)現(xiàn)水冰是非常激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，其可為未來參與月球登陸任務(wù)的宇航員提供自然資源。并可以融化后變成飲用水，或者分裂成氧氣和氫氣，為宇航員及火箭提供呼吸氣體和燃料。
[0003]目前，對(duì)月球及深空地下水冰探測(cè)的方法為使用中子探測(cè)技術(shù)。該方法主要為通過判斷氫元素的存在進(jìn)而判定行星地下是否有水冰存在。該方法的原理是:由于氫核與中子質(zhì)量相當(dāng)，因此中子與氫核碰撞會(huì)損失很多能量，超熱中子經(jīng)過這種碰撞會(huì)迅速慢化成為熱中子。假如行星某個(gè)區(qū)域富含氫，經(jīng)過該區(qū)域的中子在逃離行星前會(huì)很快“冷卻”，那么該區(qū)域上空的中子探測(cè)器會(huì)檢測(cè)到超熱中子通量的下降和熱中子通量的增加。因此氫含量可以通過某種類型中子(如超熱中子)的計(jì)數(shù)率或不同類型中子計(jì)數(shù)率的相對(duì)值來反映。
[0004]然而，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn):中子測(cè)量技術(shù)得到的中子譜并不能區(qū)分氫的不同化學(xué)形式，因此使用該方法并不能得到地下水冰存在的確切證據(jù)，并且不能確定水冰層厚度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種地下水冰探測(cè)方法，利用雙極化測(cè)量技術(shù)來確定地球或天體上是否存在水冰以及水冰層厚度。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種地下水冰探測(cè)方法。該地下水冰探測(cè)方法包括:步驟A，設(shè)置相互垂直的收發(fā)復(fù)用天線和接收天線；步驟B，由收發(fā)復(fù)用天線向探測(cè)位置地下發(fā)射線極化雷達(dá)波；步驟C，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收發(fā)復(fù)用天線和接收天線；以及步驟0，如果收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，則表明該回波為橢圓極化波，探測(cè)位置地下具有水冰。
[0009](三)有益效果
[0010]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明地下水冰探測(cè)方法具有以下有益效果:
[0011](I)設(shè)置相互垂直安裝的收發(fā)復(fù)用天線和接收天線，收發(fā)復(fù)用天線向火星表面發(fā)射線極化波，如果收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，即接收到的回波為橢圓極化波，即可判定火星地下存在水冰，相比于現(xiàn)有技術(shù)中子測(cè)量技術(shù)，得到的結(jié)果準(zhǔn)確性更高；[0012](2)分析同極化回波信號(hào)，得到雷達(dá)波在火星表面覆蓋層中的傳播延時(shí)τΜ和雷達(dá)波在火星次表層中的傳播延時(shí)τ D2，進(jìn)而求得火星表面覆蓋層厚度Z1和火星次表層，即水冰層的厚度Z2。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1A為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例地下水冰探測(cè)方法的原理示意圖；
[0014]圖1B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例地下水冰探測(cè)方法的流程圖；
[0015]圖2為本實(shí)施例仿真采用的天線安裝示意圖；
[0016]圖3為本實(shí)施例仿真采用的坐標(biāo)系示意圖；
[0017]圖4為采用本實(shí)施例方法仿真的同極化回波功率示意圖；
[0018]圖5為采用本實(shí)施例方法仿真的同極化回波功率示意圖局部放大圖；
[0019]圖6為采用本實(shí)施例方法仿真的交叉極化回波功率示意圖局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]本發(fā)明提供了一種利用雙極化測(cè)量技術(shù)來確定接收到線極化波的方向、振幅、相位、空間位置特征進(jìn)而確定天體上是否存在水冰以及水冰層厚度的地下水冰探測(cè)方法。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了 一種在火星上進(jìn)行地下水冰探測(cè)方法。圖1A為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例地下水冰探測(cè)方法的原理示意圖。圖1B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例地下水冰探測(cè)方法的流程圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1A和圖1B，本實(shí)施例地下水冰探測(cè)方法包括:
[0023]步驟A，設(shè)置相互垂直的收發(fā)復(fù)用天線和接收天線，其中，收發(fā)復(fù)用天線用于發(fā)射線極化波以及接收同極化回波信號(hào)，接收天線用于接收交叉極化回波信號(hào)，兩者均為偶極子天線；
[0024]圖2為本實(shí)施例仿真采用的天線安裝示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，載體為一長(zhǎng)方體的載體，收發(fā)復(fù)用天線和接收天線安裝在該長(zhǎng)方體載體的兩正對(duì)面，并且均與相應(yīng)的面呈45°角，從而保證兩天線垂直，長(zhǎng)方體載體的厚度為2m，收發(fā)復(fù)用天線和接收天線的中心與長(zhǎng)方體載體相應(yīng)安裝面的距離為1.75m。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明并不以此為限。
[0025]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，載體為長(zhǎng)方體，收發(fā)復(fù)用天線和接收天線安裝在長(zhǎng)方體載體的同一個(gè)面上，但兩者相互垂直。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，該載體還可以為六面體載體，其安裝方式與長(zhǎng)方體載體相同，只要保證兩根天線相互垂直即可，此處不再贅述。
[0026]步驟B，由收發(fā)復(fù)用天線向火星上的探測(cè)位置地下發(fā)射線極化雷達(dá)波，由收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收上述線極化波經(jīng)由地下介質(zhì)反射后的回波，其中，線極化雷達(dá)波發(fā)射頻率為UHF波段及UHF波段以下波段；[0027]步驟C，監(jiān)測(cè)收發(fā)復(fù)用天線和接收天線，判斷是否兩者同時(shí)接收到回波，如果兩者同時(shí)接收到回波，執(zhí)行步驟D，否則，執(zhí)行步驟G ；
[0028]步驟D，如果收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，則表明回波為橢圓極化波，探測(cè)位置地下具有水冰，執(zhí)行步驟E ；
[0029]冰晶體的各向異性導(dǎo)致雷達(dá)波在冰層中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波極化圖形差異，入射電磁波在交叉極化方向耦合部分能量，同極化方向能量減小，即當(dāng)發(fā)射線極化波時(shí)，能夠同時(shí)接收到與發(fā)射線極化波相互垂直方向的線極化波，即接收到的回波為橢圓極化波。
[0030]由相關(guān)的理論可知，如果回波為橢圓極化波，則可以斷定地下次表層為水冰，而不可能是固體介質(zhì)或石油、巖漿等液體介質(zhì)，其理論不再贅述。
[0031]接收天線的安裝方向與收發(fā)復(fù)用天線的安裝方向垂直，其能夠接收到與發(fā)射線極化波相互垂直方向的線極化波。如果收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，則可以表明回波信號(hào)為橢圓極化波，即可判定火星地下存在水冰。
[0032]為驗(yàn)證本實(shí)施例的有效性，特進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。圖3為本實(shí)施例仿真采用的坐標(biāo)系示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3，該仿真實(shí)驗(yàn)使用的天線為30M半波長(zhǎng)偶極子天線，兩根天線分別安裝在一個(gè)四面體載體正對(duì)面，間距如圖3所示。采樣點(diǎn)數(shù)600個(gè)，深度1646米，發(fā)射雷達(dá)波中心頻率為179MHz。
[0033]請(qǐng)參照?qǐng)D3，由于冰介質(zhì)的各向異性，入射電磁波在冰層中傳播會(huì)出現(xiàn)相互垂直的兩個(gè)分量，并且這兩個(gè)分量的方向隨著傳播發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖中(X’，y’，Z’)所示的坐標(biāo)系為初始坐標(biāo)系，亦即觀測(cè)坐標(biāo)系，發(fā)射天線與初始坐標(biāo)系的夾角為Θ’。(Xi，yi，Zi)所示的坐標(biāo)系為電磁波在第i冰層中傳播時(shí)的坐標(biāo)系，發(fā)射天線與該坐標(biāo)系的夾角為θ i。
[0034]圖4所示為采用本實(shí)施例方法仿真的同極化回波功率示意圖，圖5為采用本實(shí)施例方法仿真的同極化回波功率示意圖局部放大圖，圖6為采用本實(shí)施例方法仿真的交叉極化回波功率示意圖局部放大圖。由圖4、圖5和圖6可以看到，當(dāng)線極化雷達(dá)波入射到水冰介質(zhì)時(shí)，接收到的回波為橢圓極化波，證明了本實(shí)施例方法的有效性和實(shí)用性。
[0035]步驟E，由收發(fā)復(fù)用天線和接收天線接收到回波的第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值之間的時(shí)間差值，得到線極化雷達(dá)波在火星表面覆蓋層中的第一傳播延時(shí)τΜ，由收發(fā)復(fù)用天線和接收天線接收到回波的第二個(gè)峰值和第三個(gè)峰值之間的時(shí)間差值，得到線極化雷達(dá)波在火星次表層-水冰層中的第二傳播延時(shí)τ D2 ；
[0036]步驟F，由第一傳播延時(shí)τ m和第二傳播延時(shí)τ D2，按照以下公式獲取火星表面覆蓋層厚度Z1和火星次表層，即水冰層的厚度Z2。
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，包括: 步驟A，設(shè)置相互垂直的收發(fā)復(fù)用天線和接收天線； 步驟B，由所述收發(fā)復(fù)用天線向探測(cè)位置地下發(fā)射線極化雷達(dá)波； 步驟C，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收發(fā)復(fù)用天線和接收天線；以及 步驟D，如果所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線同時(shí)接收到回波，則表明該回波為橢圓極化波，探測(cè)位置地下具有水冰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，還包括: 步驟E，由所述回波的第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值之間的時(shí)間差，得到線極化雷達(dá)波在探測(cè)位置地下表層中的第一傳播延時(shí)τΜ，由所述回波的第二個(gè)峰值和第三個(gè)峰值之間的時(shí)間差，得到線極化雷達(dá)波在探測(cè)位置地下次表層-水冰層中的第二傳播延時(shí)τ D2 ； 步驟F，由所述第一傳播延時(shí)τ D1和所述第二傳播延時(shí)τΒ2，按照以下公式獲取火星表面覆蓋層厚度Z1和火星次表層-水冰層厚度Z2:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述探測(cè)位置地下表層的介質(zhì)為玄武巖，其相對(duì)介電常數(shù)為ε rl=7.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線為以下天線類型中的一種:偶極子天線、八木天線、對(duì)數(shù)周期天線、環(huán)天線和倒V天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線均為偶極子天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線分別安裝在一長(zhǎng)方體載體或者一六面體載體的兩正對(duì)面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線分別安裝在一長(zhǎng)方體載體的兩正對(duì)面，并且均與相應(yīng)的面呈45°角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述長(zhǎng)方體載體的厚度為2m，所述收發(fā)復(fù)用天線和接收天線的中心與所述長(zhǎng)方體載體相應(yīng)安裝面的距離為1.75m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，用于探測(cè)月球或火星的地下水冰。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的地下水冰探測(cè)方法，其特征在于，所述線極化雷達(dá)波的發(fā)射頻率為UHF波段及UHF波段以下波段。
【文檔編號(hào)】G01B15/02GK103605127SQ201310556697
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】方廣有, 劉小軍, 趙博, 紀(jì)奕才, 張鋒, 稂時(shí)楠 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所