小行星淺表探測雷達技術

李雁斌， 王鳳姣， 江利中

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

小行星探測中，行星的三維模型、表面成分等信息都可通過望遠鏡、多譜段成像儀、X 射線／γ射線光譜儀、近紅外光譜儀和激光測距儀等光學遙感載荷獲得，但是上述載荷卻無法獲取行星地表下的地質(zhì)構(gòu)造、物理特性等信息。要獲得行星淺表層的信息，可以利用射頻電磁波對介質(zhì)的穿透特性?；陔姶挪ǖ膫鞑ヅc散射原理，通過向地下發(fā)射電磁波信號并接收地下介質(zhì)不連續(xù)處散射回來的回波實現(xiàn)地下目標的成像、定位與量化計算，小行星淺表探測雷達能夠獲得小行星次表層的分層信息，美國、歐空局已將其成功應用于月球和火星等行星的探測中。

隨著我國空間技術的不斷發(fā)展與進步，淺表探測雷達技術必將在未來月球、火星、金星、小行星和木星等地外星體表層和淺層地質(zhì)的結(jié)構(gòu)探測中得到越來越廣泛的應用。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

近年來，國際上先后對月球、火星、小行星、太陽系其他行星等天體進行了多手段的探測，對它們的地質(zhì)和地貌特征、化學成分、物理性質(zhì)和空間環(huán)境進行了深入的研究，從而了解行星系統(tǒng)的形成和演化過程。其間，歐空局、美國和日本先后成功發(fā)射了火星和月球探測器，并利用淺表探測雷達研究行星淺表分層結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，如表1所示［1］。

1.1 MARSIS雷達

2005年5月，火星快車成功展開首個火星地下探測雷達／高度計MARSIS 雷達，6 月第三個雷達完全展開，火星雷達開始準備探測活動。MARSIS雷達的主要任務是研究火星的上層大氣，研究火星地殼2km～3km 厚度內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)，尋找地下水，繪制火星地殼淺層的水和冰分布區(qū)，分干土、凍土和濕土。11月底，歐空局宣布火星快車上攜帶的MARSIS雷達已經(jīng)找到了火星地下存在冰層的有力證據(jù)，為研究火星上是否有生命跡象提供重要資料［2］。

表1 國外典型的行星淺表探測雷達

如圖1所示，MARSIS是一個多頻率合成孔徑下視雷達，它在淺表探測時發(fā)射大帶寬的線性調(diào)頻信號，只是在電離層探測時發(fā)射掃頻信號。

MARSIS火星地表探測的主要科學目標是探測火星殼層上部分的固態(tài)水和液態(tài)水分布。此外，MARSIS還包括以下三個目標：地表以下的地質(zhì)探測、表面構(gòu)造探測和電離層探測。第一，探測火星表面以下的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征和分布；第二，獲得火星表面信息；第三，利用MARSIS探測電離層和包括電離層在內(nèi)的火星上層大氣與太陽風的相互作用特征。用雷達研究電離層可獲得全球覆蓋的電離層電子密度分布，太陽和太陽風對電離層的影響等統(tǒng)計結(jié)果。

1.2 SHARAD 雷達

為了彌補MARSIS雷達系統(tǒng)對火星淺表分層結(jié)構(gòu)探測分辨率差的缺陷，NASA 于2005年8月發(fā)射了火星軌道器MRO，MRO上搭載了與MARSIS雷達系統(tǒng)相類似的火星次表層結(jié)構(gòu)探測雷達，即SHARAD 系 統(tǒng)（Shallow Subsurface Sounding Radar）。由于SHARAD 工作頻率較高（20 MHz，屬于電磁波譜的HF 頻段），工作帶寬也較寬（10 MHz），對火星地下結(jié)構(gòu)的探測分辨率遠高于MARSIS系統(tǒng)。SHARAD 雷達如圖2所示［3］。

圖1 ESA 火星快車MARSIS雷達

圖2 火星軌道偵察衛(wèi)星淺表探測雷達及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SHARAD 雷達系統(tǒng)可以穿透淺表500m 巖石或冰層以尋找水存在證據(jù)，但由于SHARAD系統(tǒng)的工作頻率遠高于火星電離層的截止頻率。因此，SHARAD 雷達系統(tǒng)不承擔探測火星電離層結(jié)構(gòu)的任務。同時，由于SHARAD 雷達系統(tǒng)工作于單一頻段，也不能有效地用于研究火星電離層的TEC。

1.3 LRS探月雷達

2007年9 月14 日，月神號（SELENE）探測飛船發(fā)射升空，搭載了14項探測設備，LRS探月雷達（Lunar Radar Sounder）是其中之一，其主要功能是實現(xiàn)月面下1km～5km 月殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，以及測量月球環(huán)境下的宇宙噪聲。LRS測月雷達工作于4MHz～6MHz頻段，線性調(diào)頻脈沖信號，脈沖寬度為200μs，脈沖功率800 W，天線采用偶極子形式。LRS 測月雷達發(fā)射頻率為5 MHz的脈沖穿透月球次表層，當雷達波遇到月球次表層的不連續(xù)界面時，將產(chǎn)生次表層的回波信號，通過回波信號的解析，可以獲取表層和次表層結(jié)構(gòu)信息，如圖3所示［4］。

圖3 LRS探測月球表層和次表層結(jié)構(gòu)的原理示意圖

LRS測月雷達可以在數(shù)十千米范圍內(nèi)探測月球次表層結(jié)構(gòu)，雷達波的穿透深度可達數(shù)千米，垂直深度分辨率優(yōu)于100m。探測結(jié)果除用于研究月球次表層結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律外，還可以用于研究月球表面的熱演化歷史。在不受太陽輻射干擾的情況下，測月雷達還可以觀測探測器繞月軌道處的行星射電波和等離子體波［5］。

2 系統(tǒng)組成

小行星淺表探測雷達的系統(tǒng)組成如圖4 所示，包括發(fā)射機、接收機、收發(fā)天線、雷達主機（主控系統(tǒng)）、二次電源等。

圖4 小行星淺表探測雷達系統(tǒng)組成

雷達發(fā)射的電磁信號到達行星表面后，一部分信號在行星表面直接反射回來，而另一部分信號則會穿透行星表面，與其表層物質(zhì)、次表面等內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互作用，經(jīng)行星表層土壤的透射、反射再被雷達接收。因而，在雷達回波信號中，包含了豐富的行星地表結(jié)構(gòu)特征。通過檢測從介質(zhì)表面或內(nèi)部反射回來的電磁波信號，可以反演分層有耗介質(zhì)的電磁參數(shù)，從而實現(xiàn)行星表層和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測。

3 工作原理

圖5給出了淺表探測雷達對月球次表層結(jié)構(gòu)探測的示意圖。月球表層由兩層結(jié)構(gòu)模型描述，層1為層厚度為D 的均勻月表物質(zhì)，介電常數(shù)為ε1；層2為下墊月巖層，介電常數(shù)為ε2，層1與層2的交界面為月球次表面；A 點的回波為表面天底點回波；B 點的回波為次表面天底點回波；C 點的回波為表面非天底點回波［6］。

圖5 淺表探測雷達工作原理

高度為H 的淺表探測雷達以一定的波束寬度θ 向月球表面發(fā)射電磁波。電磁波在表面天底點A 處發(fā)生反射和透射，反射回波的時延為2 H／c，其中c為真空中的光速。A 處透射的電磁波通過表層1至次表面天底點B 處時發(fā)生反射，再經(jīng)過表層1向上傳播被淺表探測雷達接收，該回波比A 處回波時延晚2D／c。如果表層1介電常數(shù)ε1已知，則由該時延差可以確定次表面的深度d，而由這兩點回波的強度差異可以估算次表層介電常數(shù)ε2，判斷次表層（層2）的物質(zhì)成分。

如果行星表面和次表面都是光滑平表面，則淺表探測雷達只接收到A 處和B 處的回波。實際上行星表面是高低起伏的，這樣淺表探測雷達也會接收到月表面非天底點C 處的回波。電磁波在月表層內(nèi)部傳播時，受到表面透射、表層衰減以及次表面反射（散射）等的影響，次表面天底點B 處的回波往往很微弱。如果月球表面非天底點C 處的回波時延和次表面天底點B 處的回波時延相等，則淺表探測雷達將同時接收到這兩點的回波。這樣B 處微弱的回波有可能被表面C 處回波所淹沒，從而無法直接由淺表探測雷達的觀測結(jié)果識別出次表面回波。表面非天底點回波對于探測次表層結(jié)構(gòu)不但沒有任何幫助，反而是識別次表面回波的最大障礙，因此非天底點回波也稱為表面雜波。

（1）工作體制

根據(jù)雷達信號的種類可將小行星淺表探測雷達分為無載頻脈沖探測雷達、調(diào)頻連續(xù)波探測雷達、頻率步進連續(xù)波探測雷達、隨機噪聲探測雷達、線性調(diào)頻探測雷達和M 序列探測雷達［7］。

其中，無載頻脈沖體制的探測雷達具有許多優(yōu)點：

a）雷達的收發(fā)信號直接在時域內(nèi)進行，不需要IFFT 變換，不存在旁瓣干擾；

b）電路技術比較成熟，電路結(jié)構(gòu)比較簡潔，可以研制出體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的雷達控制器和發(fā)射機及接收機，具有較高的系統(tǒng)性價比；

c）雷達發(fā)射的平均功率較低，不僅所需的電源功耗較小，而且對周圍其它電子設備的干擾較小，有利于大系統(tǒng)的電磁兼容設計，截至目前，無載頻脈沖淺表探測雷達是唯一通過美國聯(lián)邦通信委員會認證的淺表探測雷達體制；

d）對于深層探測，可以通過快速轉(zhuǎn)換開關采用單天線完成信號的收發(fā)任務，有利于降低雷達系統(tǒng)的體積和重量；

e）對于實現(xiàn)深層探測的低頻段，可以采用靈敏度時間控制電路或時變增益技術和直接采樣技術對信號進行接收，相干累積時間快，可以有效地克服等效時間取樣帶來的接收效率低等技術缺陷。

時間控制電路有兩大優(yōu)點：一是可以抑制天線直接耦合波及來自于地表的反射波；二是能夠比較好地補償損耗介質(zhì)對電磁波產(chǎn)生的非線性衰減，提升深層目標的反射信號，有利于對深層目標的探測。國外已有基于該技術研究成功的冰川探測雷達產(chǎn)品，對寒帶冰川的探測深度己經(jīng)超過3 km。

（2）探測深度

小行星淺表探測雷達的探測范圍可以由雷達方程計算，由于該雷達屬于損耗介質(zhì)穿透雷達，常規(guī)雷達方程需要進行必要的修正。由雷達探測原理和電磁波反射特性，假設飛船的軌道高度為R，月球或火星內(nèi)部的地質(zhì)分層厚度為Z，地質(zhì)分層厚度對應的等效傳播距離為RD，等效傳播時間為τD，第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr1，第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr2，雷達發(fā)射信號的角頻率為ω，介質(zhì)損耗為tanδ，r01和r12為中間變量，則由第一層和第二層介質(zhì)形成的交界面產(chǎn)生的反射信號到達飛船上雷達接收機輸入端的信號功率值Pr可以表示為

其中：

式中：Pt為雷達發(fā)射機輸出功率；G 為天線增益；λ為電磁波的波長；c為真空中的光速。

根據(jù)雷達的工作頻段和宇宙噪聲溫度值，雷達接收機的最小可接收信號電平約為-90dBm。假設εr1＝4，εr2＝7，介 質(zhì) 損 耗tanδ＝0.003～0.006，G＝1.6，雷達發(fā)射機功率800 W，飛船軌道高度200km，則可以計算出雷達的探測深度在3km～6km 之間。

（3）雷達分辨率

雷達分辨率是地下目標探測中定位目標的重要參數(shù)，通常分為距離向分辨率和方位向分辨率。

①距離向分辨率

距離向分辨率是指地表正下方沿縱向可以區(qū)分兩個目標的最小距離。在理想情況下，對于非色散傳播媒質(zhì)，距離向分辨率δr表示為

式中：BR為雷達有效帶寬；c 為光速；εr為介電常數(shù)。

在實際淺表探測雷達中，BR是難以確定的。BR主要由發(fā)射信號、收發(fā)天線、地表介質(zhì)特征決定。由于介質(zhì)對不同頻率的選擇性衰減，與發(fā)射信號的頻譜相比，接收信號頻譜向低端偏移，同時帶寬也變窄。因此淺表探測雷達的距離向分辨率與探測深度有關，越深帶寬越小，距離向分辨率越差。由式（3）可知，相對介電常數(shù)越大，距離向分辨率越高。

②方位向分辨率

方位向分辨率是指在同一深度的水平面上可以區(qū)分兩個目標的最小距離。假設收發(fā)天線并置，如圖6所示，電磁波的衰減系數(shù)為α，目標相對距離為d。方位向分辨率δcr由接收信號半功率點的寬度和水平距離之比決定，可以近似表示為

圖6 方位向分辨率分析示意圖

當αd?1時，方位向分辨率可近似為

可以看出，媒質(zhì)的衰減越大，方位向分辨率越高，可以用一些特殊的技術來改善方位向分辨率，例如合成孔徑處理技術或全息技術都是十分有效的提高方位向分辨率的方法。

（4）數(shù)據(jù)形式

小行星淺表探測雷達的回波數(shù)據(jù)有一維、二維和三維三種形式，稱之為A 掃描、B 掃描和C掃描［8］。

沿行星表面建立xoy 平面，z 方向指向深度，則在一個給定位置（xi，yi）記錄的一個單一波形稱之為A 掃描。波形中的唯一變量是時間，通過介質(zhì)中的波速可以使時間和深度建立一定的關系。

雷達在地面某一起點沿x 方向水平移動，在該方向不同位置采集數(shù)據(jù)，x 方向上所有的A 掃描就組成了一個B 掃描。當接收到的掃描數(shù)據(jù)通過灰度圖表示時，可以產(chǎn)生一個二維的圖像。二維圖像描述了土壤的一個垂直切面。

沿x 方向在不同起始點重復上述過程就得到一系列的B掃描，這一系列的B 掃描就組成了一個C掃描，目前一些軟件可以直接畫出C 掃描的三維圖像。

三種數(shù)據(jù)形式相應的數(shù)學表達式分別用不同式子表示：A 掃描可表示為f（z）＝A（xi，yl，zk），i為常數(shù)，l 為常數(shù)，k＝1∶N；B 掃描可表示為f（x，z）＝A（xi，yl，zk），i＝1∶P，l為常數(shù)，k＝1∶N；C 掃 描 可 表 示 為f（x，y，z）＝A（xi，yl，zk），i＝1∶P，l＝1∶M，k＝1∶N。

4 關鍵技術

（1）超寬帶收發(fā)天線設計

由于無載波淺表探測雷達是廣譜探測方法。對于時域窄脈沖，需要超寬帶的天線發(fā)射和接收，否則發(fā)射的脈沖信號和接收到的回波信號相當于增加了一個帶通濾波器，其高頻分量被濾除掉，達不到廣譜發(fā)射和廣譜接收的需要。

傳統(tǒng)天線帶寬窄，需要通過阻抗加載等技術拓寬天線的工作頻帶，同時還應優(yōu)化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化。另外，還要考慮收發(fā)天線的互耦以及幾何形狀對天線性能的影響。

淺表探測雷達中超寬帶天線普遍采用平面偶極子形式。偶極子結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，并且具有良好的對地耦合特性，使用最廣的是蝶形的平面偶極子天線。為了減少后向輻射以及由此產(chǎn)生的來自地面物體的散射干擾，天線采用了屏蔽腔。為了減少天線末端殘余電流引起的反射，采用了末端加載進行抑制。屏蔽腔高度是該天線的性能的一個重要參數(shù)，當背腔高度為信號中心頻率對應波長的1／4時天線輻射效率最大。但是在工程應用中，1／4 波長背腔高度使得天線笨重，不實用。為了適應工程需要，降低背腔高度，將惡化天線輻射效率。

（2）穩(wěn)定的窄脈沖源設計

淺表探測雷達的窄脈沖源對重復性、幅值、脈沖前沿、脈沖寬度、脈沖拖尾的要求很高。脈沖重復性高，才能提高探測的一致性。脈沖幅值大，使脈沖具有更大的功率，便于穿透更深的地層。脈沖前沿陡，信號的高頻分量豐富，頻帶較寬，提高了分辨率。脈沖寬度窄，可增大發(fā)射信號頻譜寬度，但造成發(fā)射功率降低，要根據(jù)實際情況折衷選擇。脈沖拖尾短，避免脈沖拖尾與后一個發(fā)射脈沖重疊，破壞后續(xù)脈沖的前沿，防止探測波形嚴重畸變。

（3）強行星淺表回波抑制技術

探測空中目標的雷達背景中，沒有其它的介質(zhì)存在，而探地雷達遠比在空間的應用復雜得多，主要表現(xiàn)在行星淺表介質(zhì)的特性、雜波背景和界面反射幾個方面。

①行星淺表介質(zhì)的特性

行星淺表介質(zhì)的特性包括介質(zhì)的非均勻性、介質(zhì)損耗、色散特性和介質(zhì)電磁特性的隨機性。介質(zhì)的非均勻性是指由于地質(zhì)成分的復雜性，作為電磁場的傳播介質(zhì)在很多情況下是極不均勻的。介質(zhì)損耗及色散特性是指電磁波在有耗介質(zhì)中傳播將遇到較大衰減，此外電磁波在介質(zhì)中傳播比在真空中傳播速度慢，波長變長，也就是說媒質(zhì)具有色散特性。電磁特性的隨機性是指由于介質(zhì)的成分、密度、濕度等差異，變化很大，導致表征大地電磁特性的幾個參數(shù)（介電常數(shù)，導磁率，導電率）也隨之而變化。

②雜波背景

行星淺表埋藏的目標包括各種各樣天然雜質(zhì)的雜亂回波，這些都將對探測回波產(chǎn)生更加復雜的干擾，形成行星表面的外部環(huán)境。

③界面反射

從空間到行星淺表的探測，由于行星表面存在而導致很強的地跳干擾及天線特性的加載失配。

這些因素說明，探地雷達接收的回波信號包括地表雜波和地下回波，為了更好地提取地下分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的回波，必須對表面雜波進行抑制。

5 仿真分析

當小行星表面粗糙度變大或者表面環(huán)形山密度增加時，強烈的表面非天底點回波會淹沒次表面天底點回波，成為次表層結(jié)構(gòu)探測中的最大障礙。探測雷達沿衛(wèi)星軌道飛行，對小行星表面進行連續(xù)多次觀測時，受地形起伏的影響，不同觀測時刻表面非天底點回波的相位是隨機變化的。如果次表面地形起伏變化不大，則次表面天底點回波的相位變化也不大，可近似認為是固定的。表面非天底點回波屬于非相干回波，次表面天底點回波相位變化不大，可近似為相干回波?？梢岳美走_多次接收信號進行相參積累，消除表面雜波的影響，識別次表面回波。

取淺表探測雷達的軌道高度H ＝50km，中心頻率f＝5 MHz，帶寬Bw＝8 MHz。采用偶極子天線，天線長度L ＝30m，發(fā)射功率800 W，天線阻抗50Ω，天線上的電流強度I＝4A。小行星表面為高斯隨機粗糙面，表面與次表面的粗糙度由參數(shù)kδ1和kδ2描述，其中δ1和δ2分別為表面和次表面的高度起伏方差，k 為真空中的波數(shù)。取層1厚度D＝1.0km，上表面介電常數(shù)ε1＝4+0.01i，下表面介電常數(shù)ε2＝8+0.5i，kδ2＝0。圖7給出kδ1＝0、0.1和0.3時，淺表探測雷達接收到的回波功率隨距離的變化。

圖7 H＝50km 時月球表面不同粗糙度的雷達回波

可以看出，距離為50km 時表面天底點回波非常明顯，受粗糙度影響不大。在小行星表面粗糙度kδ1＝0和0.1時，射程距離為2km 處的尖峰是次表面天底點回波（圖中箭頭所示），也比較明顯。距離大于50km 的回波是表面非天底點回波，隨著表面粗糙度kδ1的增大而變大。當表面粗糙度kδ1＝0.3時，表面非天底點回波過大而遮蓋了次表面天底點回波，此時無法識別出次表面天底點回波。

圖8分別給出了累積數(shù)目N＝10、20、30時，淺表探測雷達回波隨距離的變化。

圖8 相參積累后淺表探測雷達回波隨射程距離的變化

可以看出，在取累積平均之后，距離為0.25 km ～2.0km 之間的表面非天底點回波（雜波）強度明顯降低，位于2.0km 處的次表面回波峰值比較明顯，尤其是在N＝30時。隨著累積數(shù)目N 的增加，表面雜波的抑制越明顯，次表面回波越容易識別。

6 結(jié)論

本文介紹一種小行星淺表探測雷達的設計方案，可以穿透到小行星地表以下幾百米到幾千米的地表深層，揭示小行星次表層結(jié)構(gòu)特征。當小行星表面粗糙度增加時，表面雜波強度變大使得次表面回波很難辨認，基于次表面天底點回波的相干性和表面雜波和的非相干性，在次表層地形變化不大的情況下，可由相參積累的方法來消除表面雜波從而識別次表面回波的方法。數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過相參積累的方法，可以明顯降低表面雜波的影響，有效識別出次表面回波。累積數(shù)目越大，次表面天底點回波越容易識別。

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