[发明专利]星体次表层遥感探测雷达回波模拟及参数反演方法

说明书

技术领域

本发明涉及星体探测领域，更具体地，涉及星体次表层遥感探测雷达回波模拟及参数反演方法。

背景技术

火星的空间探测始于1960年10月10日，至今已实施了有51次的火星探测任务，主要是欧洲，美国和俄罗斯等国家进行火星生命寻找探测。深空探测是我国空间科学技术发展的一个新里程，对火星的探测是继本世纪初各航天大国月球探测热潮之后的又一个探测热点。经过多国进行火星探测，发现火星地下存在大量的水冰、有机物和矿物质，尤其是美国2011年发射的好奇号(搭载MarsScienceLaboratory)火星车进行火星表面长期行走，对火星表层物质采样提取并进行分析，提取了大量的H₂O，CO₂，SO₂和O₂，确定火星存在有机物质，进一步断定火星存在生命体。验证了之前基于不同雷达遥感和采用不同分析方法得出的火星有机物质存在结论的正确性。2003年欧航局火星探测任务MarsExpress搭载的遥感探测器MARSIS(MarsAdvancedRadarforSubsurfaceandIonosphereSounding)可以探测火星地下5km的分层结构，2005年美国宇航局NASA进行的火星浅表层探测MarsShallowRadarsounder(SHARAD)可以探测火星地下上千米的深度。这些星载遥感卫星都探测到火星南北极都被大量的水冰覆盖，南极(北极)的水冰相当于整个火星表面覆盖有达到10m厚的水冰，可见火星水冰很充足。然而对于中纬度和赤道附近的水冰分布目前存在很大争议，主要结论包含有：一种认为中纬度和赤道附近主要覆盖有火山灰或低密度的水冰和火山灰的混合物，认为水冰含量少；一种认为中纬度和火星覆盖有大量的沉积冰层。传统的参数估计方法是简单的Fresnel模型，该方法假设介质分层面是光滑或是粗糙度很小的，对雷达实际观测到的次表面(即表层和次表层的分界面)散射回波时间延迟信号做水平投影。雷达回波延时对应的视深度R_basal和次表面真实深度(Fresnel模型假定真实次表面是水平的，起伏粗糙表面距离水平的次表面距离即为真实次表面深度)D之间满足关系ε′_average为待估计的表层(Fresnel模型中的层1)介质介电常数的实部，R_basal＝c·t_delay，c为光速，t_delay为雷达回波观测时间；Fresnel方法根据雷达回波延时信号峰值功率比值计算介质损耗tanδ＝ε′/ε″，δ为表层介质电导率，ε′和ε″分别为表层介质复介电常数的实部和虚部。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

(1)由于传统Fresnel方法只是提取雷达回波的幅度信息进行参数估计，因而不能计算次表层(即最底媒质层)(即Fresnel模型中的层2)介质电导率。

(2)对于次表面是非水平的或是有起伏变化的分层面，而且对于分层粗糙面大引起的漫散射占主导作用使得雷达回波功率减少，这些情况下传统Fresnel方法对介质参数估计的误差将会很大甚至该方法失效。

(3)基于Fresnel模型对雷达回波数据进行解释会带来不确定性，例如MARSISorbit2682和SHARADorbit6830回波数据存在争议，是因为Fresnel模型没有考虑粗糙面的影响，然而MARSISorbit2682和SHARADorbit6830雷达观测区域火星表面起伏粗糙度都很大，所以粗糙度影响不能忽略。

(4)由于火星表面粗糙度很大，以及目前对遥感雷达回波数据分析处理方法的局限性和不足，致使得到不同的火星表层介质参数估计值。

(5)由于目前遥感雷达系统探测分辨率有限，最高的分辨率只有15m(空气中)，对于干冰的探测(厚度约为10m左右)无能为力，而且雷达回波不能分辨干冰分层回波信号，传统的Fresnel模型不能判断干冰是否一定存在。

(6)火星表面起伏变化剧烈，表面杂波对于次表面回波提取产生严重干扰。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种星体次表层遥感探测雷达回波模拟方法，包括：

步骤A1：对星体表面高程数据进行数值插值处理，获取高分辨率地形分布高程数据；

步骤A2：对雷达照射区域的高分辨率地形分布高程数据和该照射区域次表面粗糙面进行三角面元剖分；以及

步骤A3：对雷达天线接收到的分层介质散射回波进行数据模拟，以建立正演模型。