用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法与流程

本发明属于地表和地下探测与成像领域，涉及一种用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法。

背景技术：

月壤结构探测仪lrpr(lunarregolithpenetratingradar)是一种基于嫦娥五号着陆器平台的无载频皮秒脉冲信号体制的高分辨率月壤表面穿透探测雷达，是实现嫦娥五号(ce-5)任务科学探测目标的重要载荷之一。月壤结构探测仪的探测任务是月球次表层结构探测，主要用于如下两个方面：月壤厚度和结构探测；以及为钻取采样过程提供信息支持。

月壤结构探测仪安装在着陆器地板上，距离月面高度约为90cm，由于着陆器系统是静止不动的，故月壤结构探测仪也在静止的状态下工作，采用12个超宽带时域天线组成天线阵列，通过电扫描的方式形成多偏移距的阵列雷达，其天线布局示意图如图1所示，能够实现每一个天线既能发射信号又能接收信号；当其中一个天线发射信号时，其余所有天线均能进行接收。故月壤探测仪具有如下探测特点：

(1)在静止状态下工作；

(2)阵列雷达；

(3)多偏移距，多个天线发射、接收；

(4)距离月面有一个不可忽视的高度，约90cm。

而现有的商业探地雷达通常在移动模式下工作，且只有一个发射天线和一个接收天线，目前大部分的成像技术均是针对商业探地雷达的，对于月壤结构探测仪的成像不适用，因此需要研究一种新的成像算法，来满足在静止状态下、距离地面有一定的高度、多偏移距、多输入多输出的阵列雷达成像需求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，包括：将探测区域离散网格化，分成m*n个网格，每个网格作为一个子波源，其中m、n为正整数；对于第i个子波源，从预处理后的标准化探测仪数据集中确定该子波源被每个接收天线接收到的能量，获得该子波源在每帧数据中对应的能量，其中i＝1，2，……，m*n；对于第i个子波源，将该子波源在每帧数据中的能量按照帧数进行叠加，获得该子波源的总能量；以及遍历m*n个子波源，从而获得整个探测区域的地质情况进行成像。

在本发明的一个实施例中，确定第i个子波源被每个接收天线接收到的能量的方法，包括：根据天线、折射点和聚焦点的几何位置关系确定第i个子波源和每个接收天线之间的射线传播路径。

在本发明的一个实施例中，两层介质分别为第一介质和第二介质，探测仪发射的信号从第一介质进入第二介质，发生折射，确定第i个子波源和每个接收天线之间的射线传播路径，包括：由入射角、折射角的定义以及斯涅尔定律确定第一介质和第二介质分界面的折射点。

在本发明的一个实施例中，按照如下公式确定所述第一介质和第二介质分界面的折射点：

其中，n为反射系数；s为天线到折射点的矢量在x轴方向上的投影；xf为天线到聚焦点的矢量在x轴方向上的投影；h为天线到折射点的矢量在y轴方向上的投影；d为折射点到聚焦点的矢量在y轴方向上的投影；ε1为第一介质的相对介电常数；ε2为第二介质的相对介电常数。

在本发明的一个实施例中，网格为正方形网格，每个网格的边长满足如下条件：小于1/4波长；波长的大小等于c/f，c为光速，f为获取探测仪数据集的探测频率。

在本发明的一个实施例中，获取探测仪数据集的探测仪进行探测的天线阵列为包含j个天线的多输入、多输出天线阵列，其中每个天线能够接收其余天线发射的信号，每个天线接收的另外一个发射天线的能量对应一帧数据，按照如下公式将每个子波源在每帧数据中的能量按照帧数进行叠加：

其中，i(x，y)为子波源(x，y)按照帧数叠加后的振幅值；am(*，x，y)表示子波源(x，y)在第m帧数据中的振幅值；z为多输入、多输出天线阵列获取的数据帧数总量；ra，t和ra，r分别为分界面两个折射点到发射天线和接收天线的距离；rg，t和rg，r分别为子波源(x，y)到两个折射点的距离；c为光速；vg为电磁波在第二介质中的速度。

在本发明的一个实施例中，多输入、多输出天线阵列获取的数据帧数总量z由下式确定：

z＝j(j-1)

其中，j为多输入、多输出天线阵列包含的天线总数。

在本发明的一个实施例中，在将该子波源在每帧数据中的能量按照帧数进行叠加，获得该子波源的总能量的步骤之后还包括：根据叠加后的振幅值判断每个子波源是否为真实反射点或反射面，从而确定该子波源对应的探测区域的地质情况进行成像。

在本发明的一个实施例中，判断每个子波源是否为真实反射点或反射面的方法为：当子波源是一个真实的反射点或反射面时，叠加后的振幅值增大；反之，叠加后的振幅值减小。

在本发明的一个实施例中，探测区域为月球表面，其探测范围的宽*高为：1.6m*3m。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，至少具有以下有益效果之一：

(1)通过采用偏移成像中的绕射叠加方法，将探测区域离散网格化，通过确定每个网格作为子波源辐射的能量在天线阵列获得的每帧数据中的位置以及将子波源在每帧数据的能量进行叠加，最终获取每个子波源的总能量，得到整个探测区域内所有子波源的能量分布，从而确定其地质情况进行成像，适用于具有一定高度、多偏移距、多输入多输出的雷达成像要求，且成像清晰；

(2)绕射叠加方法对于处理非均质、分层介质具有良好的优势，由于月壤结构探测仪距离月球表面具有约90cm高度的真空区域，和被探测的月壤的相对介电常数是不同的，构成了分层介质，本发明提供的方法在确定折射点以及射线传播路径方面具有便捷的优势。

附图说明

图1为现有技术月壤结构探测仪的天线布局示意图。

图2为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法流程图。

图3a为根据本发明实施例基于绕射叠加确定第i个子波源被每个接收天线接收到能量的射线传播路径示意图；图3b为根据本发明实施例基于绕射叠加确定第i个子波源被每个接收天线接收到能量的光路几何示意图。

图4为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法进行数值模拟实验得到的结果图，其中，(a)为数值模拟试验的模型；(b)为成像结果。

图5为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法进行试验场地验证得到的结果图，其中(a)为试验场地及预埋目标设置；(b)为成像结果。

【符号说明】

矢量(加粗)：ra，t，ra，r，rg，t，rg，r；

距离：ra，t，ra，r，rg，t，rg，r；

位置点字母：r1，r2，r；

长度符号：xf，s，d，h；

角度符号：θi，θt；

坐标符号：(x，y)

反射系数：n；

相对介电常数：ε1，ε2。

具体实施方式

本发明提供了一种用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，通过采用偏移成像中的绕射叠加方法，将探测区域离散网格化，通过确定每个网格作为子波源辐射的能量在天线阵列获得的每帧数据中的位置以及将子波源在每帧数据的能量进行叠加，最终获取每个子波源的总能量，得到整个探测区域内所有子波源的能量分布，从而确定其地质情况进行成像，适用于具有一定高度、多偏移距、多输入多输出的雷达成像要求；同时对于处理非均质、分层介质具有良好的优势。

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，对本发明作进一步详细说明。

图1为现有技术月壤结构探测仪的天线布局示意图。参照图1所示，月壤探测仪的成像过程如下：在雷达控制器的控制下，选通12个超宽带时域天线组成的天线阵列中的其中一个天线作为发射天线，其余所有天线均作为接收天线进行回波接收，当遍历所有天线均作为发射天线进行探测之后，月壤结构探测仪便能获得天线下方区域月壤的一次完整的探测数据，于是获得12*11帧数据，即132帧完整的探测数据，通过对探测数据进行处理和成像，便能获取一幅探测区域内月壤分层结构图像。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法。其中，两层介质分别为第一介质和第二介质，雷达信号从第一介质进入第二介质，发生折射，在本实施例中，第一介质为空气，第二介质为月壤。

图2为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法流程图。由图2可知，用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，包括：

步骤s202：将探测区域离散网格化，分成m*n个网格，每个网格作为一个子波源；

根据惠更斯原理：球形波面上的每一点或面源都是一个次级球面波的子波源，子波的波速和频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面，据此，将m*n个网格中的每个网格视为一个子波源；

其中，m、n为正整数，数值越大，则精度越高，具体m、n值由探测的范围和离散的网格精度确定；

因为探测精度的需求，每个网格的边长至少应小于四分之一个波长；该波长大小等于c/f，c为光速，c＝3*10⁸m/s，f为探测频率，在本实施例中等于月壤结构探测仪的中心频率2g，其值为：2g＝2*10⁹hz，则每个网格的边长应小于((3*10⁸)/(2*10⁹))/4＝0.375m；

本实施例针对月壤结构探测仪来说，其探测范围的宽*深为1.6m*3m，故m、n取值满足：m≥43，n≥80；

步骤s204：对于第i个子波源，从预处理后的标准化探测仪数据集中确定该子波源被每个接收天线接收到的能量，获得该子波源在每帧数据中对应的能量，其中i＝1，2，……，m*n；

由于月壤结构探测仪距离月球表面具有约90cm高度的真空区域，和被探测的月壤的相对介电常数是不同的，构成了分层介质，因此射线在两种分界面必然会产生折射，因此求出分界面的折射点是确定射线传播路径的关键所在，这对于确定第i个子波源被每个接收天线接收到的能量也是至关重要的；

图3a为根据本发明实施例基于绕射叠加确定第i个子波源被每个接收天线接收到能量的射线传播路径示意图；图3b为根据本发明实施例基于绕射叠加确定第i个子波源被每个接收天线接收到能量的光路几何示意图，参照图3a可知，从发射天线发出的射线在介电常数为ε1的空气中传播，沿着矢量ra，t到达位置点r1，发生折射，然后在介电常数为ε2的月壤中传播，对应矢量rg，t，到达子波源(x，y)，然后在该子波源处发生反射沿着矢量rg，r在月壤中前进，到达月壤与空气的界面处，在r2处发生折射，进入空气，在空气中沿着矢量ra，r前进，到达接收天线；由上可知：确定射线传播路径，即需要求出ra，t、ra，r、rg，t和rg，r，而求出这几个矢量的关键在于确定折射点r1，r2；那么由图3b可知，根据天线、折射点和聚焦点的几何位置关系，由入射角、折射角的定义以及斯涅尔定律可知：

其中，θi为入射角；θt为折射角；s为天线到折射点的矢量在x轴方向上的投影；h为天线到折射点的矢量在y轴方向上的投影；xf为天线到聚焦点的矢量在x轴方向上的投影；d为折射点到聚焦点的矢量在y轴方向上的投影；n为反射系数；

然后结合公式(1)～(3)，得到关于s的一元四次方程，表达式如下：

通过求解如公式(4)所示关于s的一元四次方程，便可以求得s，即获得折射点的位置，从而确定每个子波源在每帧数据中对应的能量；

步骤s206：对于第i个子波源，将该子波源在每帧数据中的能量按照帧数进行叠加，获得该子波源的总能量；以及遍历m*n个子波源，从而获得整个探测区域的地质情况进行成像。

每个子波源的位置坐标为(x，y)，将每个子波源在每帧数据中的能量按照帧数进行叠加，可以获得在132帧数据中的总能量，能量叠加的表达式如下：

其中，am(*，x，y)表示子波源(x，y)在第m帧数据中的振幅值；ra，t和ra，r分别为分界面两个折射点到发射天线和接收天线的距离；rg，t和rg，r分别为子波源(x，y)到两个折射点的距离；c为光速；vg为电磁波在月壤中的速度；

当该子波源是一个真实的反射点或反射面时，由于各帧数据中的振幅接近同相叠加，则叠加后的振幅值增大；反之，不是真实的反射点或反射面时，由于各帧数据的振幅为非同相叠加，则叠加后的振幅值自然会减小；由此可以判断每个子波源是否为真实反射点或反射面；然后采用同样的方式对m*n个子波源都获取其总能量并进行判定，从而获得整个探测区域的地质情况进行成像。

需要特别说明的是，以上实施例中提供的用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法除了可以满足月壤结构探测仪的成像需求之外，还可以用于其他分层介质探测的雷达成像，只要满足：静止状态成像、距离地面有一定的高度、多偏移距、多输入多输出的阵列雷达成像特点即可。

为了验证本发明的可行性和有益效果，根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法分别进行了数值模拟验证和地面验证试验。

图4为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法进行数值模拟实验得到的结果图，其中，(a)为数值模拟试验的模型；(b)为成像结果。

参照图4中(a)图，数值模拟区域的深*宽的范围为3m*1.6m，天线的布局情况与月壤结构探测仪完全一致，一共设置有五个目标体，包括：两个石块，对应图4(a)中的点，深度分别为0.8米和2.2米；三个石板，对应图4(a)中的线条，深度分别为1米、1.5米和2米；数值模拟后成像结果如图4中(b)图所示，可以清晰地看出五个目标体，且可以识别出上下目标体的上下界面。

图5为根据本发明实施例所示用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法进行试验场地验证得到的结果图，其中(a)为试验场地及预埋目标设置；(b)为成像结果。

参照图5中(a)图，试验场地为一个长*宽*深尺寸为7m*3m*2.5m的池子，在池子底部铺设了金属板，其中方框里面的部分即为月壤结构探测仪探测时所覆盖的范围，其中包括4个目标体：深度为0.5m的玄武岩块2，深度为0.8m的金属球，深度为1m的聚四氟乙烯板以及深度为2m的花岗岩石板；探测成像后的结果如图5中(b)图所示，其中，椭圆框为四个已知目标体成像的结果，从中可以看出，可以清晰的识别四个目标体。

综上所述，本发明提供了一种用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，通过采用偏移成像中的绕射叠加方法，将探测区域离散网格化，确定每个网格子波源辐射的能量在每帧数据中的位置以及将子波源在每帧数据的能量进行叠加，最终获取每个子波源的总能量，得到整个探测区域内所有子波源的能量分布，从而确定其地质情况进行成像，适用于具有一定高度、多偏移距、多输入多输出的雷达成像要求，并且成像清晰；同时在确定分层介质的折射点以及射线传播路径方面也具有便捷的优势。

当然，根据实际需要，本发明提供的用于处理两层介质的多偏移距绕射叠加的成像方法，还包含其他的常用方法和步骤，由于同发明的创新之处无关，此处不再赘述。

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。