嫦娥三號測月雷達第一通道數據處理與分析

高云澤　董澤華　方廣有　紀奕才　周　斌

①（中國科學院電子學研究所　北京　100190）

②（中國科學院大學　北京　100049）

嫦娥三號測月雷達第一通道數據處理與分析

高云澤①②董澤華①②方廣有*①紀奕才①周斌①

①（中國科學院電子學研究所北京100190）

②（中國科學院大學北京100049）

測月雷達是嫦娥三號月球巡視器搭載的重要科學載荷之一，用以實現月表之下100 m之內的穿透成像。該文介紹了測月雷達的系統(tǒng)組成與工作原理，對獲取到的月球科學數據進行了詳細分析。在此基礎上研究了有針對性的數據處理方法，并給出第1通道數據的初步處理結果。從處理結果中可知，測月雷達有效信號深度達到100 m以上，在大約40 m深處有雷達反射異常，初步分析為嫦娥三號著陸區(qū)月表之下兩套地層的分界線。

嫦娥三號；測月雷達；數據處理；地質分層

1　引言

嫦娥三號（CE-3）月球巡視探測器于2013年12月2日成功登陸月球，這是中國第1個著陸月球的探測器，也是人類第1次在月球表面使用超寬帶月球探測雷達（測月雷達）進行月球探測。測月雷達是基于CE-3月球巡視器（月球車）平臺的高分辨率月球表面穿透成像雷達，是實現嫦娥三號項目科學目標的最重要的載荷之一。CE-3測月雷達研制任務由中國科學院電子學研究所承擔，其科學目標是完成巡視路線上月球次表層結構探測［1］。

自從1972年阿波羅17號探測月球以來，相繼有日本的“月亮女神”和印度的“月船一號”等雷達對月球進行科學探測。由于這些探測器都是基于軌道飛行器的，并且工作帶寬較窄，所以分辨率很低，從幾十米到幾百米，無法滿足探測月壤和月球次表層內部結構的需求［2-4］。而CE-3測月雷達采用高頻超寬帶工作體制，設計了兩個獨立的探測通道，兼顧探測深度和分辨率的要求，兩個通道的設計探測深度分別為100 m和30 m，設計分辨率分別為1 m和0.3 m［5］。

CE-3著陸區(qū)位于虹灣區(qū)域南端，文獻［6-8］的研究認為該區(qū)域南端比北端地質年代要晚，即存在兩套地層單位的分界線，深度在70 m以內，正好處于測月雷達第1通道的有效探測范圍之內［6-8］。如果能通過測月雷達數據將該地質層位分析出來，對于研究月球演化歷史有重要意義［9，10］。

測月雷達回波信號中存在很多干擾，如月球車和其他載荷的干擾、月球表面物體的回波干擾等，這使得從原始信號中很難識別出有效目標，必須研究有效的信號處理方法對其進行處理［11］。在月球車停止工作之前，各科學載荷還處于效果測試階段，測月雷達參數也在不斷調整，其中增益參數的變化導致整個雷達剖面因信號強弱不同而嚴重不連續(xù)。月球車工作過程中經常停下來規(guī)劃行走路線，此時獲取到的探測數據為固定點的重復數據，這些數據會造成雷達圖像在方位向上不連續(xù)。由于體積、重量和功耗的嚴格限制，CE-3測月雷達采用了特殊的采樣原理，即1 bit比較量化和幅度反比增益，以較低的采樣位數獲得了很大的動態(tài)范圍，有利于提高探測深度，但也有不利的一面，即信號幅度不能真實反映雷達回波的強弱關系進而影響成像效果。針對上述測月雷達數據特點和存在的問題，我們提出了有針對性的信號處理方法，首次獲得了第1通道100 m以內的清晰成像結果，驗證了CE-3著陸區(qū)月表之下的一條地質分層界面。

2　測月雷達系統(tǒng)原理

測月雷達是一種時域無載頻脈沖雷達，由發(fā)射機、接收機、天線組成，包括兩個通道，第1通道中心頻率為50 MHz，第2通道中心頻率為500 MHz，兩個通道的接收機采樣率分別為400 MHz和3.2 GHz。第1通道天線位于月球車前端，由兩根上翹的細桿組成；第2通道位于月球車底部，距離地面約0.3 m，如圖1所示。兩個通道既可以同時工作，也可以獨立工作［12］。

圖1 嫦娥三號月球車Fig. 1　CE-3 rover

測月雷達發(fā)射機產生超寬帶的無載頻毫微秒脈沖，經過發(fā)射天線向月面下輻射超寬帶電磁脈沖信號，信號在月壤和月殼巖石介質的傳播過程中，若遇到不均勻層、不同介質交界面和漂石等目標，將產生電磁波信號的反射和散射。測月雷達接收天線接收到該反射和散射信號后，經過接收機采樣獲得相應的探測數據，通過對探測數據進行分析、處理和成像，得到巡視器行走區(qū)域內月壤厚度及其分布以及月殼次表層巖石地質結構等信息。

由于體積、重量和功耗等的限制，測月雷達采用了一種特殊的數據接收方法，對脈沖回波信號進行1 bit實時采樣并進行多次累積，實現脈沖回波信號的等效接收和數字化?；夭ㄐ盘柦涍^比較器后輸出信號流，采樣器對該信號流進行采樣接收［13］。在一個脈沖重復周期里，采樣器輸出的第n個采樣樣本可按式（1）計算。

其中，為第n次比較的參考電壓，經過256次比較后，第m個采樣點的等效量化結果如式（2）所示，整個采樣過程如圖2所示。

圖2　測月雷達采樣原理Fig. 2　Sampling principle of LPR

測月雷達采用幅度-增益函數來實現可變增益，即增益隨參考比較電壓的變化而變化，使得弱信號獲得的增益大，強信號獲得的增益小，如圖3所示。

3　測月雷達數據分析

月球車以距離著陸點4.4 m的N101點為起點，按規(guī)劃好的導航點行進，每個導航點重新開機工作，到月球車最終停止的位置N209點，一共有17個導航點，路線總長度為114.8 m，如圖4所示。

圖3　參考電壓及增益曲線Fig. 3　Reference voltage and gain function

圖4　月球車行進路線Fig. 4　The roadmap of CE-3 rover

測月雷達數據是按道存儲的，每道數據由道頭和科學數據組成，道頭保存測月雷達參數信息，科學數據按一定時窗保存雷達回波幅度。第1通道時窗為10240 ns，科學數據長度為4096點；第2通道由A，B兩路組成，每一路時窗為640 ns，科學數據長度為2048點［14］。

從起點N101到月球車最終停止移動點N209，第1通道共獲得10173道數據，月球車移動過程中采集的有效數據為2021道，有8152道數據為月球車靜止狀態(tài)下采集的數據，數據處理時必須去除掉。為了測試不同參數的探測效果，從N101到N106，測月雷達的參數一直處于調整之中，其中增益模式和增益值對測月雷達圖像影響最大，決定著接收能量的大小，調整過程中的增益參數如表1所示。

表1　第1通道不同位置的增益參數Tab. 1 Gain parameters of different position

增益參數不同會造成雷達圖像明顯的不連續(xù)，影響圖像判讀的準確性，數據處理時必須把增益還原到同樣的水平上。圖5所示為N101-N106原始數據連接后的結果，可以看出每一段數據之間存在明顯的不連續(xù)。

4　測月雷達數據處理

根據測月雷達的采樣原理以及實際工作中的數據獲取過程，必須采取一系列相應的數據處理方法，如抽取有效數據、增益還原和飽和信號處理等，才能取得較好的成像結果。

4.1抽取有效數據

月球車行進過程中，為了規(guī)劃下一步行進路線會暫時停在原地不動，此時獲得的數據為靜止的重復數據。在數據處理時必須將靜止數據去除掉，否則會造成雷達剖面的不連續(xù)，影響對地下目標的識別。測月雷達在科學數據道頭中保存了每一道數據產生時的位置信息，位于道頭的第15至26 Byte，包括3個方向的坐標，各4個Byte。因此，可以利用坐標信息來判斷測月雷達處于靜止或移動狀態(tài)。如果相鄰道數據的坐標完全相同，則只保留其中的一道數據，其余道數據刪除，剩下的即為移動過程中產生的有效數據。圖6為N201-N202段數據刪除靜止數據前后的對比，圖6（a）為刪除前數據結果，紅色圓點標示的為靜止數據，圖6（b）為抽取的有效數據，可以看出抽取處理后雷達圖像連續(xù)性增強。

4.2直流去除

由于接收機飽和恢復過程中的低頻振蕩，數據中存在一個頻率接近直流的低頻分量，在做后續(xù)的增益還原處理之前必須將其去除掉，否則將使信號不能還原到真實的幅度大小。直流分量頻帶范圍非常窄，使用通常的濾波方法容易引起時窗邊緣信號抖動。因此，我們采取了一種沿時間方向的時域滑動濾波方法。該方法首先在一道數據中沿時間方向以一個窗口對數據取均值，然后該窗口中心點的數據減去此均值，逐點滑動窗口完成對一道內所有數據的處理，具體如式（3）所示：

圖5　不同增益參數造成的圖像不連續(xù)Fig. 5　Discontinuity of radar image due to different gain parameters

圖6　抽取移動過程中的有效數據Fig. 6　Extracting valid data while CE-3 rover moving

4.3增益還原處理

測月雷達以較低的采樣位數獲得了較大的動態(tài)范圍，使弱信號增益大而強信號增益小。數據處理時為了真實反映地下反射的強弱關系，或需要雷達反射幅度絕對大小時（比如利用幅度信息反演介電常數），必須把接收時與幅度相關的增益還原回來。

做增益還原之前必須先做歸一化處理，因為每個點的幅度值范圍與累加次數有關，需要把不同累加次數的數據歸一到無累加時的取值范圍內。將無符號的16 bit的道科學數據按照累加次數歸一化方法如式（4）所示：

然后，按式（5），式（6），式（7）對測月雷達科學數據進行增益還原：

圖7　增益還原系數曲線Fig. 7　Curve of gain restoring

圖8 增益還原處理結果Fig. 8　Result of gain restoring

4.4道間均衡處理

從圖8可以看出，淺部信號增益還原后仍然有一些不連續(xù)，這可能與測月雷達工作時月球氣溫變化有關，使道與道之間的能量不均衡。因為雷達天線具有較寬的波束，因此相鄰距離回波間的相關性很強，所以可以使用道間能量均衡的方法對增益還原后的數據做進一步的處理。道間均衡的原理是將各道乘上不同的權重后，能量小的道乘以大的權系數，能量大的道乘以小的權系數，以使各道的能量達到均衡，具體算法如式（8）所示：

式（8），式（9），式（10），式（11）中，M為待均衡的道數，N為每道的采樣點數，A為M道的總平均振幅，為第i道的權系數，為每道平均振幅，i，j分別為道序號和采樣點序號，為均衡前第i道、第j點的回波幅度值，為均衡后第i道、第j點的幅度值。

對每道數據都按上述方法處理，就完成了道間均衡處理。對圖8所示結果做道間均衡處理，得到的結果如圖9所示，可以看出相鄰數據段之間的成像不連續(xù)得到進一步的改善。

4.5濾波處理

由于系統(tǒng)噪聲、空間干擾等的影響，原始數據必須進行濾波處理，以提高回波信號的信噪比。測月雷達第1通道的設計主頻為50 MHz，但做頻譜分析后發(fā)現主頻約為20 MHz，如圖10所示。由電磁波傳播理論可知，這與電磁波傳播過程中高頻分量衰減較快而低頻分量衰減較慢有關。低頻成分主要決定探測深度，而高頻成分決定探測細節(jié)，必須根據不同需要來選取濾波參數。如果想提取月表之下地質結構分層信息，通帶范圍應該選取低頻部分；如果想提取淺層細節(jié)信息，通帶范圍應該選取高頻部分。根據測月雷達設計工作頻帶和頻譜分析結果，經過反復對比，發(fā)現濾波通帶參數為10～30 MHz時，第1道數據達到最佳處理效果。本文對第1通道濾波處理時，濾波參數選擇為10～30 MHz，處理結果如圖11所示。

4.6飽和信號處理

在N106點之前，CE-3科學載荷一直處于參數調試階段，測月雷達還未達到最佳工作狀態(tài)，其中增益偏大造成第1通道淺層信號飽和，導致殘留的有效信號被掩蓋。為了從飽和信號中盡可能挖掘出有效信息，本文使用了一種水平滑動濾波的處理方法。目的是去除水平方向變化緩慢的飽和信號，以突出變化劇烈的有效信息。該方法的原理是在水平確定一個窗口寬度，在窗口內所有道取平均，窗口中間位置的道減掉這個平均值，如式（12）所示：

圖9　道間能量均衡Fig. 9　Trace energy average

圖10　第1通道頻譜分析Fig. 10　Spectrum of LPR channel-1

圖11　飽和信號處理Fig. 11　Saturated signal processing

該方法的優(yōu)點是處理效果可以根據窗口寬度N來調節(jié)。圖11為對N105到N106段數據處理前后的對比結果，可以看出處理后被飽和信號掩蓋的回波信息得以凸現出來。

4.7介電常數分析

介電常數在時深轉換時影響雷達圖像中探測目標的深度信息，一般可以按照以下幾種方法計算：

（1）雙曲線擬合法

針對地下點目標的雙曲線成像特征，根據雙曲線的頂點位置和開口大小，反演介電常數；

（2）金屬板反射法

利用目標層位反射幅度與金屬板反射幅度的比值關系求取介電常數；

（3）最小熵偏移法

遍歷所有可能的介電常數，做偏移處理并計算偏移圖像的熵值，當熵值最小時對應的圖像最清晰，此時的介電常數即為地下真實的介電常數。

由于第1通道主要針對深層探測，在雷達圖像中很難找到雙曲線反射，雙曲線擬合法無法使用；金屬板反射法對于表層介電常數計算精度較高，隨著不斷迭代遞推，深層介電常數累計誤差越來越大，沒有實際意義；最小熵偏移法對第1通道數據理論上是可行的，但是由于數據采集的原因，第1通道存在信號飽和和縱向時差錯位，圖像熵值也失去了應有的含義。

由上述分析可知，很難根據雷達數據直接得到月球巖石的介電常數，只能利用阿波羅巖石采樣的分析結果，由于月球絕對干燥的環(huán)境條件以及巖石介電常數的變化范圍較小，可以認為月球巖石與阿波羅采樣巖石的介電常數基本相同。

4.8結果分析

使用上述處理方法，對CE-3測月雷達從起點N101到終點N209的整體數據進行處理，原始數據如圖12（a）所示，處理結果如圖12（b）所示。根據阿波羅取樣數據，CE-3著陸區(qū)月表之下巖石為玄武巖，其介電常數約為7［15］。以此介電常數做時深轉換，從圖12（b）可以看到第1通道的有效信號深度大于100 m，在約40 m深處存在一條明顯的電磁反射異常，用黑色箭頭加以標注。

CE-3著陸點位于月球虹灣區(qū)域南端，以前的研究指出該區(qū)域月球表面之下存在一條地質分界線，并分析了其大致深度（Schaber:10～63 m:Hiesinger:32～50 m；Zhao J N: 小于70 m）［16-18］。我們對測月雷達第1通道數據的處理結果與這些研究成果非常吻合，驗證了該層位的存在并給出了其較準確的深度。

圖12　測月雷達第1通道處理結果Fig. 12　Processing result of LPR channel-1

5　結論

本文詳細介紹了嫦娥三號測月雷達的系統(tǒng)原理、工作過程和數據特點，在此基礎上提出了有針對性的信號處理方法，總結如下：

（1）介紹了CE-3測月雷達的系統(tǒng)原理和工作方式，詳細分析了數據特點和存在的問題，提出了合理的信號處理方法和步驟，取得了滿意的處理結果；

（2）應用增益還原和道間均衡處理的處理方法，消除了因不同增益參數和工作溫度差異造成的圖像不連續(xù)，提高了雷達成像精度；

（3）采用水平加窗滑動濾波的處理方法，從嚴重飽和的雷達信號中挖掘出了明顯的層位反射信息；

（4）首次取得了CE-3測月雷達第1通道100 m之內的清晰成像結果，驗證了CE-3著陸區(qū)地下存在一條地質結構分層，并給出了其較準確的深度。

［1］Ip W H，Yan J，Li C L，et al.. Preface: the Chang'e-3 lander and rover mission to the Moon［J］. Research in Astronomy and Astrophysics，2014，14（12）: 1511.

［2］Ono T，Kumamoto A，Kasahara Y，et al.. The Lunar Radar Sounder （LRS）onboard theáKAGUYA （SELENE）spacecraft［J］. Space Science Reviews，2010，154（1/4）: 145-192.

［3］Ono T，Kumamoto A，Nakagawa H，et al.. Lunar radar sounder observations of subsurface layers under the nearside maria of the moon［J］. Science，2009，323（5916）: 909-916.

［4］Nozette S，Spudis P，Bussey B，et al.. The Lunar Reconnaissance Orbiter Miniature Radio Frequency （Mini-RF）technology demonstration［J］. Space Science Reviews，2010，150（1/4）: 285-302.

［5］Zhang H B，Zheng L，Su Y，et al.. Performance evaluation of lunar penetrating radar onboard the rover of CE-3 probe based on results from ground experiments［J］. Research in Astronomy and Astrophysics，2014，14（12）: 1633.

［6］Schaber G G. Geologic Map of the Sinus Iridum Quadrangle of the Moon，I-602［R］. Washington D C: US Geological Survey，1969.

［7］Hiesinger H，Jaumann R，NeukumG ，et al.. Ages of mare basalts on the lunar nearside［J］. Journal of Geophysical Research: Planets，2000，105（E12）: 29239-29275.

［8］Bugiolacchi R and Guest J. Compositional and temporal investigation of exposed lunar basalts in the Mare Imbrium region［J］. Icarus，2008，197（1）: 1-18.

［9］Spudis P D，Bussey D B J，Baloga S M，et al.. Evidence for water ice on the Moon: results for anomalous polar craters from the LRO Mini-RF imaging radar［J］. Journal of Geophysical Research: Planets，2013，118（10）: 2016-2029.

［10］Jin S，Arivazhagan S，and Araki H. New results and questions of lunar exploration from SELENE，Chang'E-1，Chandrayaan-1 and LRO/LCROSS［J］. Advances in Space Research，2013，52（2）: 285-305.

［11］Dai S，Su Y，Xiao Y，et al.. Lunar regolith structure model and echo simulation for Lunar Penetrating Radar［C］. Brussels，Belgium，2014: 1042-1045.

［12］Fang Guang-you，Zhou Bin，Ji Yi-cai，et al.. Lunar penetrating radar onboard the Chang'e-3 mission［J］. Research in Astronomy and Astrophysics，2014，12（1）: 1607-1622.

［13］Ye S，Zhou B，and Fang G. Design of a novel ultra wideband digital receiver for pulse ground-penetrating radar［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2011，8（4）: 656-660.

［14］Su Yan，Fang Guang-you，Feng Jian-qing，et al.. Data processing and initial results of Chang'e-3 lunar penetrating radar［J］. Research in Astronomy and Astrophysics，2014，14（12）: 1623-1632.

［15］Heiken Grant H，Vaniman David T，Bevan M French，et al.. Lunar Sourcebook: A User's Guide to the Moon［M］. Cambridge: University Press，1991.

［16］Schaber G G. Lava flows in mare imbrium: geologic evaluation from Apollo orbital photography［C］. Lunar and Planetary Science Conference，1973，4: 73-92.

［17］Hiesinger H，Head J W，Wolf U，et al.. Lunar mare basalt flow units: thicknesses determined from crater sizefrequency distributions［J］. Geophysical Research Letters，2002，29（8）: 89-1-89-4.

［18］Zhao J N，Huang J，Qiao L，et al.. Geologic characteristics of the Chang'E-3 exploration region［J］. Science China Physics，Mechanics and Astronomy，2014，57（3）: 569-576.

高云澤（1979-），男，副研究員，研究方向為超寬帶穿透成像理論研究、超寬帶雷達信號處理。

董澤華（1992-），男，博士生，研究方向為超寬帶雷達系統(tǒng)設計、超寬帶雷達信號處理。

方廣有（1963-），男，研究員，研究方向為超寬帶雷達成像理論與方法、月球/火星探測雷達技術、地下資源電磁勘探技術、超寬帶天線理論與技術、THz成像技術。

The Processing and Analysis of Lunar Penetrating Radar Channel-1 Data from Chang'E-3

Gao Yun-ze①②Dong Ze-hua①②Fang Guang-you①Ji Yi-cai①Zhou Bin①

①（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Lunar Penetrating Radar （LPR），which is one of the most important science payloads onboard the Chang'E-3 （CE-3）rover，is used to obtain electromagnetic image less than 100 m beneath the lunar surface. This paper describes the system composition and working mechanism of the LPR and presents a detailed analysis of its data. We investigated special signal-processing methods and present the result of channel-1 data. The result shows that the effective echo occurs at depths greater than 100 m. Moreover，an unusual reflection exists at depth of 40 m，which may be the boundary of two geological units beneath the lunar surface.

Chang'E-3 （CE-3）； Lunar Penetrating Radar （LPR）； Data processing； Geological boundary

The Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences （KGZD-EW-603-01）

TN958

A

2095-283X（2015）-05-0518-09 DOI：10.12000/JR15030

高云澤，董澤華，方廣有，等. 嫦娥三號測月雷達第一通道數據處理與分析［J］. 雷達學報，2015，4（5）: 518-526.

10.12000/JR15030.

Reference format：Gao Yun-ze，Dong Ze-hua，Fang Guang-you，et al.. The processing and analysis of lunar penetrating radar channel-1 data from Chang'E-3［J］. Journal of Radars，2015，4（5）: 518-526. DOI: 10.12000/JR15030.

2015-03-11；改回日期：2015-06-16；

2015-08-24 *通信作者：方廣有gyfang@mail.ie.ac.cn

中國科學院重點部署項目（KGZD-EW-603-01）