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1、(10)申请公布号 CN 103439694 A (43)申请公布日 2013.12.11 CN 103439694 A *CN103439694A* (21)申请号 201310384768.9 (22)申请日 2013.08.29 G01S 7/40(2006.01) (71)申请人 中国科学院国家天文台 地址 100012 北京市朝阳区大屯路甲 20 号 (72)发明人 李春来 苏彦 张洪波 刘建军 郑磊 李俊铎 封剑青 戴舜 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 宋焰琴 (54) 发明名称 一种验证探地雷达在月球次表层探测深度和 分辨率的方法 (57。
2、) 摘要 本发明公开了一种验证探地雷达在月球次 表层探测深度和分辨率的方法， 该方法包括 ： 选 取地球表面接近月球表面电磁特性的位置， 获取 测月雷达在该位置的回波数据， 得到测月雷达在 该位置的冰层以及冰石混合层的最大穿透深度 Dice_1+Dice_rock+Dice_2， 以及测月雷达在冰层中的最 小可分辨层厚 Tice， 并据此获得测月雷达在月球次 表层的探测深度 Drock和测月雷达在月壳浅层岩石 中的厚度分辨率 Trock。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书。
3、5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103439694 A CN 103439694 A *CN103439694A* 1/1 页 2 1. 一种验证探地雷达在月球次表层探测深度和分辨率的方法， 该方法包括 ： 选取地球 表面接近月球表面电磁特性的位置， 获取测月雷达在该位置的回波数据， 得到测月雷达在 该位置的冰层以及冰石混合层的最大穿透深度 Dice_1+Dice_rock+Dice_2， 以及测月雷达在冰层中 的最小可分辨层厚 Tice， 测月雷达在月球次表层的探测深度 Drock与在地球获得的冰层厚度 Dice_1、 Dice_2以及冰石混合层的厚度 Dice_rock之间关系为。
4、 ： 其中 air、 ice、 ice_rock、 base_rock、 vacuum、 regolith、 rock和 next_layer分别表示空气、 冰、 冰石混合层、 冰川基岩、 真空、 月壤、 月海玄武岩和月岩中漂石或分层的波阻抗 ； ice、 ice_rock、 regolith和 rock分别表示冰、 冰石混合层、 月壤和月海玄武岩的衰减系数， Dice_1表 示冰川表面到冰石混合层上界面的厚度， Dice_rock表示冰石混合层厚度， Dice_2表示冰石混合 层下界面到基岩的厚度， dregolith表示月壤厚度， Drock表示雷达在月球次表层的探测深度， 其 中 Dro。
5、ck为待求量， Dice_1、 Dice_rock和 Dice_2是测量值， 其他参数的为介质特性， 是已知量， ice 和 ice_rock分别表示冰和冰石混合层的介电常数。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， umedium， medium， tanmedium分别为介质的磁导率、 介电常数和损耗角正切， 为雷达波角 频率， 然后代入测得的 Dice_1、 Dice_2和 Dice_rock， 以及各种介质的电磁参数， 可获得测月雷达在 月球次表层的探测深度 Drock。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 根据所述最小可分辨层厚 Tice， 确定测月 雷达。
6、在月壳浅层岩石中的厚度分辨率 Trock， 二者的关系为 ： 其中， Trock为测月雷达在月壳浅层岩石中的厚度分辨率， Tice为测月雷达在上述地球位 置的冰川中的厚度分辨率， ice为上述地球位置的旱地冰川探测区域介电常数， rock为月 海玄武岩的介电常数。 权 利 要 求 书 CN 103439694 A 2 1/5 页 3 一种验证探地雷达在月球次表层探测深度和分辨率的方法 技术领域 0001 本发明涉及探地雷达技术领域， 特别是涉及一种验证探地雷达在月球次表层探测 深度和分辨率的方法。 背景技术 0002 测月雷达是人类首次采用表面探地雷达的方式进行月球次表层结构探测， 其探测 目。
7、的是获取巡视路线上的月壤厚度和月壳浅层结构。 测月雷达采用超宽带无载频脉冲探地 雷达技术， 对巡视路线上月壳浅层岩石分层结构进行探测， 要求探测深度大于 100m， 厚度分 辨率米级。 0003 在巡视器行进过程中， 测月雷达经过发射天线向月面辐射超宽带电磁脉冲信号。 信号在月壤和月壳岩石的传播过程中， 如果遇到不同阻抗的介质交界面， 将产生反射和散 射。测月雷达接收天线接收到该反射和散射信号后， 经过接收机放大、 采样后获得探测数 据。 0004 测月雷达的最终性能指标将体现为探测深度和厚度分辨率两方面。 为了验证测月 雷达在月球次表层探测中能否满足指标要求， 需要通过地面试验， 评估测月雷。
8、达在月球次 表层的探测深度和厚度分辨率。 0005 由于测月雷达是我国首台月球探地雷达， 也是世界首台搭载在月球表面巡视器上 的探地雷达， 没有成熟的地面验证方法可供采用。 发明内容 0006 本发明的目的在于， 针对月球表面探地雷达地面验证工作， 提出一种验证其在月 球次表层探测深度和分辨率的方法， 并成功应用在了测月雷达的地面验证试验中， 能够为 今后的月球表面探地雷达的地面验证提供依据。 0007 本发明提出的验证探地雷达在月球次表层探测深度和分辨率的方法包括步骤 ： 选 取地球表面接近月球表面电磁特性的位置， 获取测月雷达在该位置的回波数据， 得到测月 雷达在该位置的冰层以及冰石混合层。
9、的最大穿透深度 Dice_1+Dice_rock+Dice_2， 以及测月雷达在 冰层中的最小可分辨层厚 Tice， 测月雷达在月球次表层的探测深度 Drock与在地球获得的冰 层厚度 Dice_1、 Dice_2以及冰石混合层的厚度 Dice_rock之间关系为 ： 0008 0009 说 明 书 CN 103439694 A 3 2/5 页 4 0010 0011 0012 其中 air、 ice、 ice_rock、 base_rock、 vacuum、 regolith、 rock和 next_layer分别表 示空气、 冰、 冰石混合层、 冰川基岩、 真空、 月壤、 月海玄武岩和月岩。
10、中漂石或分层的波阻抗 ； ice、 ice_rock、 regolith和 rock分别表示冰、 冰石混合层、 月壤和月海玄武岩的衰减系数， Dice_1表示冰川表面到冰石混合层上界面的厚度， Dice_rock表示冰石混合层厚度， Dice_2表示冰 石混合层下界面到基岩的厚度， dregolith表示月壤厚度， Drock表示雷达在月球次表层的探测 深度， 其中 Drock为待求量， Dice_1、 Dice_rock和 Dice_2是测量值， 其他参数的为介质特性， 是已知 量。 0013 优选地， 0014 0015 0016 umedium， medium， tanmedium分别为。
11、介质的磁导率、 介电常数和损耗角正切， 为雷达 波角频率， 然后代入测得的 Dice_1、 Dice_2和 Dice_rock， 以及各种介质的电磁参数， 可获得测月雷 达在月球次表层的探测深度 Drock。 0017 优选地， 根据所述最小可分辨层厚 Tice， 确定测月雷达在月壳浅层岩石中的厚度分 辨率 Trock， 二者的关系为 ： 0018 0019 其中， Trock为测月雷达在月壳浅层岩石中的厚度分辨率， Tice为测月雷达在上述地 球位置的冰川中的厚度分辨率， ice为上述地球位置的旱地冰川探测区域介电常数， rock 为月海玄武岩的介电常数。 0020 本发明提出一种验证探地雷。
12、达在月球次表层探测深度和分辨率的方法， 并成功应 用在了测月雷达的地面验证试验中。能够为今后的月球表面探地雷达的地面验证提供依 据。 附图说明 0021 图 1 为测月雷达在老虎沟 12 号冰川的回波图像 ； 0022 图 2 为测月雷达在老虎沟 12 号冰川的回波图像， 放大区域 114m 156m ； 0023 图 3 为月球次表层分层结构模型 ； 0024 图 4 为冰川内部分层结构模型。 具体实施方式 说 明 书 CN 103439694 A 4 3/5 页 5 0025 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。 。
13、0026 本发明提出了一种验证探地雷达在月球次表层探测深度和分辨率的方法， 并成功 应用在了测月雷达的地面验证试验中。 能够为今后的月球表面探地雷达的地面验证提供依 据。 0027 由探地雷达原理可知， 其探测深度和厚度分辨率除了与测月雷达系统自身的技术 参数相关外， 还取决于月壤和月壳浅层岩石的电磁特性。因此本发明在地球上选取与虹湾 地区月球次表层电磁特性接近的地方来开展验证试验， 有利于探测深度和厚度分辨率的评 估。 0028 根据已有的探测结果， 月球跟地球一样， 也可以分成月壳、 月幔和月核等层次。最 外层的月壳厚约60-65km， 它最上部的1-2km主要是月壤和岩石碎块。 月壤主要。
14、由矿物和岩 石碎屑、 角砾碎屑、 各种玻璃物质、 陨石碎片等组成， 虹湾地区月壤平均厚度约为 4-5m， 介电 常数2.3-3.5， 损耗角正切0.005-0.009 ； 月岩介电常数6.6-8.6， 损耗角正切0.009-0.016。 0029 从上述电磁特性可以得出， 虹湾地区处于干燥的环境， 电磁波衰减非常小， 因此本 发明选取地球上旱地冰川区域来进行地面验证试验， 并建立相应的分析评价模型， 来评估 测月雷达在月球次表层的探测深度和厚度分辨率。 0030 本发明提出的验证探地雷达在月球次表层探测深度和分辨率的方法， 包括以下步 骤 ： 首先， 选取地球上接近月球特性的位置 （例如甘肃省。
15、酒泉市肃北蒙古族自治县老虎沟 12 号冰川） 进行地面验证试验， 获取测月雷达在冰川中的回波数据， 可以得到测月雷达在冰 层以及冰石混合层的最大穿透深度Dice_1+Dice_rock+Dice_2， 其中Dice_1表示冰川表面到冰石混合 层上界面的厚度， Dice_rock表示冰石混合层厚度， Dice_2表示冰石混合层下界面到基岩的厚度， 如图 1 所示， 以及获取测月雷达在冰层中的最小可分辨层厚 Tice， 如图 2 所示。 0031 其中探测深度的评估通过以下方式来实现 ： 根据已有探测结果， 建立月球次表层 分层结构模型如图 3 所示， 分为真空 - 月壤 - 月海玄武岩三层， 雷。
16、达信号到达最大可探测 深度处的漂石或分层时产生回波， 被接收天线捕获。月壤厚度 dregolith， 雷达在月球次表层 的探测深度 Drock。根据钻取冰芯分析结果， 建立冰川内部分层结构模型如图 4 所示， 分为空 气 - 冰 - 冰石混合层 - 冰 - 基岩五层， Dice_1表示冰川表面到冰石混合层上界面的厚度， Dice_ rock表示冰石混合层厚度， Dice_2表示冰石混合层下界面到基岩的厚度。 分析中假设各层为均 匀介质， 雷达波为平面波， 且各层的入射角为 0。 0032 在上述模型中， 通过计算雷达波传播过程中的衰减， 就可以得到测月雷达在月球 次表层的深度探测能力Drock。
17、与在地球旱地冰川试验中获得的冰层厚度Dice_1、 Dice_2以及冰石 混合层的厚度 Dice_rock之间关系为 ： 0033 0034 说 明 书 CN 103439694 A 5 4/5 页 6 0035 0036 0037 其中， air、 ice、 ice_rock、 base_rock、 vacuum、 regolith、 rock和 next_layer分别表 示空气、 冰、 冰石混合层、 冰川基岩、 真空、 月壤、 月海玄武岩和月岩中漂石或分层的波阻抗 ； ice、 ice_rock、 regolith和 rock分别表示冰、 冰石混合层、 月壤和月海玄武岩的衰减系数。 Di。
18、ce_1表示冰川表面到冰石混合层上界面的厚度， Dice_rock表示冰石混合层厚度， Dice_2表示冰 石混合层下界面到基岩的厚度。dregolith表示月壤厚度， Drock表示雷达在月球次表层的探测 深度。其中 Drock为待求量， Dice_1、 Dice_rock和 Dice_2是在冰川试验中的测量值。其他的为介质 特性， 已知量。 0038 其中 medium为雷达波在该种介质中的衰减系数 （例如 regolith表示在月壤中的衰 减系数） ， 在地球和月球中都是采用下面公式计算， 如 regolith就是在月壤中的衰减系数， ice就是在冰中的衰减系数。 0039 0040 同。
19、样的 medium是雷达波在该种介质中的波阻抗 0041 0042 umedium， medium， tanmedium分别为该介质的磁导率、 介电常数和损耗角正切， 为雷 达波角频率。 0043 代入测得的测月雷达在冰层以及冰石混合层的最大穿透深度 Dice_1、 Dice_2和 Dice_ rock， 以及各种介质的电磁参数 （参见表 1） ， 可以评估测月雷达在月球次表层的探测深度 Drock。 0044 表 1 ： 介质电磁参数 0045 说 明 书 CN 103439694 A 6 5/5 页 7 0046 其中厚度分辨率的评估通过以下方式来实现 ： 根据测月雷达在冰层中的最小可分 。
20、辨层厚 Tice， 可以评估其在月壳浅层岩石中的厚度分辨率， 两者的关系为 ： 0047 0048 其中， Trock为测月雷达在月壳浅层岩石中的厚度分辨率， Tice为测月雷达在冰川中 的厚度分辨率， ice为冰川介电常数， rock为月海玄武岩的介电常数。各参数的取值参见 表 1。如图 1 所示， 可以得到测月雷达在冰层以及冰石混合层的最大穿透深度 Dice_1=91m、 Dice_2=37m、 Dice_rock=24m， 则将表1的参数代入式 （1） ， 可评估测月雷达在月壳浅层岩石的深度 探测能力为 ： 27-117m。 0049 如图 2 所示， 测月雷达在冰层中的最小可分辨层厚 。
21、Tice=1.5m， 根据表 1 的评价参 数， 考虑最恶劣的情况， 取 rock=6.6， 代入式 （2） 可得， 测月雷达在月壳浅层岩石中的厚度 分辨率不大于 1m。 0050 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， 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。 说 明 书 CN 103439694 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103439694 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103439694 A 9 。