火星環(huán)繞器次表層探測雷達發(fā)展綜述

張洪波

(海軍航空工程應用所，北京 100071)

火星環(huán)繞器次表層探測雷達發(fā)展綜述

張洪波

(海軍航空工程應用所，北京 100071)

火星環(huán)繞器次表層探測雷達能夠實現(xiàn)環(huán)火軌道火星次表層結構高分辨探測，為深入研究火星地質結構提供科學數(shù)據(jù)。針對目標介質分層的探測問題，進行了火星環(huán)繞器次表層探測雷達發(fā)展綜述。詳細介紹了火星環(huán)繞器次表層探測雷達的發(fā)展現(xiàn)狀、探測原理、指標計算方法及關鍵技術，并對火星環(huán)繞器次表層探測雷達的發(fā)展趨勢進行了展望。

火星環(huán)繞器；次表層探測雷達；發(fā)展趨勢

0 引言

火星是太陽系八大行星之一，從距離太陽由近至遠的角度而言，火星是太陽系中的第4個行星。火星軌道的外側鄰近的是小行星帶和木星，內側最靠近它的行星是地球。在太陽系的行星中，火星與地球之間存在最多的相似之處：兩者有幾乎相同的晝夜長短，有幾乎相同的季變化。由于火星與地球的某些物理特性類似以及其獨特的地形地貌，引起了人類對火星探測的濃厚興趣。

探測火星地面及表層之下的液態(tài)水或者固態(tài)水，是對火星探測活動最有意義的一項工作。而低頻段雷達具有穿透星球表面的能力，是完成火星探測的好的選擇。火星環(huán)繞器次表層探測雷達能夠實現(xiàn)環(huán)火軌道火星次表層結構高分辨探測，獲取火星表層和次表層多頻多極化雷達回波數(shù)據(jù)[1-4]，為深入研究火星土壤層、沉積層和冰層等地質結構提供科學數(shù)據(jù)。

1 火星環(huán)繞器次表層探測雷達發(fā)展現(xiàn)狀

早在1960年，前蘇聯(lián)便發(fā)射了首顆火星探測器，人類自此開始了對火星的探測。隨后，美國、歐空局、俄羅斯、日本、中國等國家也相繼提出火星探測計劃。

由于微波具有很強的穿透能力，可以穿透到星球干燥的次表層，揭示了次表層結構特征，因此，星載微波遙感技術很快被應用到對火星的探測中。過去的近二十年是火星探測的黃金時代，從各種小型軌道飛行器及著陸器獲取的電磁頻譜遙感觀測數(shù)據(jù)中，我們對于這個星球的認識逐漸加深。

在近十年間，火星探測雷達已經對火星的表面、次表面和電離層開展了廣泛的探索。典型的火星次表層探測雷達包括搭載在歐空局發(fā)射的“火星快車”上的火星次表層電離層先進探測雷達(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding Radar, MARSIS)和搭載在美國國家航空航天局發(fā)射的“火星勘測軌道器”上的淺表層探測雷達(Shallow Subsurface Sounding Radar ，SHARAD)。

1.1 火星次表層電離層先進探測雷達(MARSIS)

2003年12月25日歐空局( European Space Agency，ESA)將“火星快車”送入火星軌道。它首次攜帶下視雷達——火星次表層電離層先進探測雷達(MARSIS)對火星的表層、次表層和電離層進行了深入的探測，如圖1所示。MARSIS的主要科學目標包括：探測火星次表層的三維地質結構的特征和分布；獲得火星表面信息；探測電離層和包括電離層在內的火星上層大氣與太陽風的相互作用特征[5]。

圖1 搭載在火星快車上的MARSIS雷達天線Fig.1 Antenna of MARSIS radar

MARSIS是工作于下視狀態(tài)的合成孔徑雷達，配備一根長40 m的偶極子天下，具有多個工作頻率，主要頻率范圍為1.3～5.5 MHz，對應的電磁波長為55～230 m。火星次表層探測模式有效運行高度在900 km以下，持續(xù)26～30 min。MARSIS在地表的足印大約為(5×10)～(10×30)km2。自由空間中的垂直分辨率為150 m?？梢苑€(wěn)定地實現(xiàn)200～3 700 m深度的次表層探測。當MARSIS進行次表層深度探測時，工作在低頻模式下，但由于信號帶寬的限制(僅能實現(xiàn)1 MHz帶寬)，垂直分辨率也將大幅降低。MARSIS同時配備了電離層探測器，它可以測量并去除電離層散射效應，幫助完成次表層探測的頻率選擇。同時也可以進行電離層研究。MARSIS在次表層探測時發(fā)射大帶寬的線性調頻信號，在電離層探測時工作于步進頻模式，頻率范圍為0.1～5.5 MHz。

1.2 淺表層雷達(SHARAD)

為了彌補MARSIS雷達探測分辨率的缺陷，NASA于2005年8月發(fā)射了“火星勘測軌道器”MRO，并搭載了淺表層探測雷達(SHARAD)，如圖2所示。SHARAD主要用于探測火星淺表層可能存在的液態(tài)或固態(tài)水，其主要的科學目標包括：靠近地表水層的發(fā)現(xiàn)；極地區(qū)域薄冰的廓線測量；通過極化數(shù)據(jù)研究火星電磁場和電離層的特性；火星表面雷達回波的極化特性評估。

圖2 搭載在火星勘測軌道器上的SHARAD雷達天線Fig.2 Antenna of SHARAD radar

SHARAD雷達中心頻率為20 MHz，信號帶寬10 MHz，對應的電磁波長為15 m，配備一根長10 m的偶極子天線。因此相比MARSIS雷達可以實現(xiàn)更高的垂直分辨率，但是其地表穿透能力也相應下降。SHARAD在地表的足印大約為(0.3×3)～(1×6)km2，自由空間中的垂直分辨率為15 m，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)20～2 700 m深度的次表層探測。SHARAD雷達系統(tǒng)可以穿透淺表層500 m巖石或冰層以尋找水存在的證據(jù)，但是由于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)不承擔火星電離層結構的任務。此外，由于SHARAD雷達系統(tǒng)工作于單一頻段，也不能有效地探測火星電離層下的積分電子總量(TEC)。

1.3 未來發(fā)展規(guī)劃

對于未來的發(fā)展規(guī)劃，NASA在2011年公布了《美國2013—2020行星探測十年規(guī)劃》，計劃在2016年發(fā)射“洞悉號(InSight)”火星探測器，提出“火星2020登陸車”將執(zhí)行火星采樣返回任務。2016年ESA“地外火星計劃(ExoMars)”也將發(fā)射火星軌道探測器，并于2018年將再次發(fā)射一個火星探測器和火星車。

2 火星環(huán)繞器次表層探測雷達探測原理

環(huán)繞器次表層探測雷達可以看成是一種用于火星地質分層結構探測的探地雷達。目標和環(huán)境是雷達作用的對象，同時又反過來作用于雷達，影響雷達系統(tǒng)的設計和應用。與常規(guī)雷達相比，探地雷達所探測的目標可以看成是介質的分層，其傳輸環(huán)境是不同的介質環(huán)境，如土壤、冰、水等有耗介質。因此，下面首先介紹電磁波在介質中的傳播和散射特性。

2.1 電磁波在電介質中的反射和傳播

當平面電磁波入射到具有不同特征阻抗的電介質界面時，其一部分能量被反射，一部分被傳播，如圖3所示Ei為入射電磁波，Er1為對應于Ei的表層反射回波，Er2為對應于Ei的次表層反射回波，Er3表示對應于Ei的多次反射回波。需要說明的是，這些電磁波均具有角度方向，本方案中考慮到表述方便均省略了特定的角度信息。在次表層探測雷達系統(tǒng)中主要關心垂直入射(星下點)及由之對應的表層與次表層回波，即Er1與Er2。

這三個不同信號的電平可以粗略描述為如下：

(1)

對于非導電介質，反射系數(shù)Γ1,2和傳播系數(shù)T1,2分別為如下：

(2)

其中，εr1為介質層1的相對介電常數(shù)，εr2為介質層2的相對介電常數(shù)，εr3為介質層3的相對介電常數(shù)。介質層1通常為空氣，εr1=1，如圖3所示。因此，次表層探測雷達，通過接收的表層、次表層的后向散射回波，并對之分析，可以得出介質層2的介電常數(shù)、介質層2的厚度以及介質層3的介電常數(shù)。當然，系統(tǒng)設計及處理時需要盡量降低星下點之外的回波(雜波)對有用回波的影響，以更準確地推斷出地質分層結構。

圖3 媒質中電磁波的傳播路徑Fig.3 Electromagnetic wave transmit in medium

實際上，大多是介電常數(shù)的不連續(xù)導致了電磁波的反射。導電率影響媒介對雷達波的能量的吸收。介電常數(shù)的變化對媒介的特征阻抗變化影響最大，所以火星地表下的物質的介電常數(shù)的變化會導致電磁波的反射。后向散射的電磁波被接收天線接收，然后在接收機中進行采樣和處理，如圖4所示。

圖4 次表層探測雷達回波Fig.4 Sub-surface radar echo

2.2 科學探測任務指標計算方法

2.2.1 厚度分辨率

厚度分辨率是對于地層厚度的分辨能力，是電磁波在介質中的距離分辨能力，計算公式如下：

(3)

其中，c為光速，B為發(fā)射信號的帶寬，εr表示介質的相對介電常數(shù)，K是為了減小距離副瓣進行加權處理的權值函數(shù)而造成的分辨率損失因子。

2.2.2 順軌分辨率

順軌分辨率(方位分辨率)主要通過合成孔徑技術，增加方位積累時間來提高多普勒分辨來實現(xiàn)。通常采用聚焦算法時，系統(tǒng)的順軌分辨率可根據(jù)下式計算如下：

(4)

其中，h為平臺高度，λ為波長，Ls為合成孔徑長度。在行星表面探測雷達中，通常假設相關的地面散射區(qū)域為第一菲涅爾帶，因此，合成孔徑長度通常表示為如下：

(5)

2.2.3 交軌分辨率

在交軌方向上，由于無相對運動，地面上的散射點沒有多普勒信息，而無法進行多普勒處理。對于平滑表面，交軌分辨率假設等于第一菲涅爾帶直徑。對于粗糙表面，交軌分辨率通常被近似為第一脈沖受限單元。具體為如下：

(6)

各參數(shù)含義同前。

2.2.4 信噪比

次表層探測雷達信噪比公式為如下：

(7)

進一步可以用重頻PRF、合成孔徑長度Ls以及速度Vt來表達Gr，有如下方法：

(8)

其中，PRI=1/PRF是脈沖重復間隔。定義雷達的占空比如下，

(9)

因此，綜合以上各式，次表層探測雷達的信噪比公式如下：

(10)

以MARSIS和SHARAD的系統(tǒng)參數(shù)為例，其信噪比估算結果見表1，其中經計算，厚度分辨率Δhmin為13.24 cm，交軌分辨率ρact為2.24 m。

表1 MARSIS和SHARAD系統(tǒng)的信噪比估算Tab.1 SNR estimation of MARSIS and SHARAD

2.2.5 探測深度

根據(jù)次表層探測雷達原理，對于探測深度能力與地質分層結構以及介質的散射特性密切相關，如圖5所示，假定火星地表物質為介質2，具有d的厚度，在介質2下有介質3。在介質2和介質3之間的介電常數(shù)差異，將導致兩層分界面的回波返回，次表層雷達接收該回波進行處理分析。

圖5 地下分層結構示意圖Fig.5 Unde-surface layer stucture

假定第i層星下點的反射系數(shù)為Γi，則有如下方法：

(11)

(12)

其中，α(ξ)是衰減因子，ε1，ε2，ε3分別為不同層物質的相對介電常數(shù)。進一步結合信噪比公式，以及系統(tǒng)所需的檢測因子，可以計算得到最大的探測深度。

2.3 環(huán)繞器次表層探測雷達系統(tǒng)設計中的關鍵問題

環(huán)繞器次表層探測雷達如圖6所示，是將探地雷達搬移到火星環(huán)繞器上，實現(xiàn)對火星的表面和內部結構的巖性、電磁參數(shù)及主要組成成份進行探測。實際上，為了能夠成功地實現(xiàn)探測任務，次表層探測雷達系統(tǒng)必須獲得足夠的方位分辨率，深度分辨率，信噪比(SNR)以及信雜比(SCR)[6]。

圖6 環(huán)繞器次表層探測雷達雜波分析圖Fig.6 Sub-surface radar clutter analyse

次表層探測雷達系統(tǒng)在火星環(huán)繞器上，工作的軌道高度為幾百公里，要實現(xiàn)對火星地質結構的成像的目標，就需要實現(xiàn)電磁波最好的滲透。由于距離遠，地表下物質電磁波衰減比較嚴重。一般來說，低頻段的穿透能力比高頻段的穿透能力強。因此，在環(huán)繞器平臺條件限制(發(fā)射機峰值功率)情況下，采用較高的占空比和較低工作頻段來獲得足夠的信噪比。

在環(huán)繞器次表層探測系統(tǒng)中，雜波是指來自非探測目標區(qū)域(天底洞區(qū)域)的反射信號。當雜波和目標回波在同一個采樣時間窗口，并且具有相同的譜特征時，雜波就和目標回波混在一起難以區(qū)分。

實際上，雜波主要影響次表層探測雷達對于地表下回波的探測。由于地表下回波經過反射、透射及衰減效應，回波強度弱，地表雜波信號可能將地表下的回波信號掩蓋，使得探測失效。實際上，距離壓縮造成的副瓣可能掩蓋次表層的回波，而好的順軌分辨率可以限制非天底洞的散射回波。因此，為了增強在強的地面雜波下對地表下弱回波的探測，需要實現(xiàn)低的距離壓縮的副瓣以及高的順軌分辨率，如圖7所示。

圖7 利用多普勒信息提高順軌分辨Fig.7 Doppler along track indentification

地表面目標點從進入到走出雷達波束的照射范圍過程，留下了從正到負變化的多普勒頻率形成的帶寬，利用該多普勒帶寬信息可提高方位向分辨率。

3 火星環(huán)繞器次表層探測雷達發(fā)展趨勢

在研制MARSIS和SHARAD系統(tǒng)獲得的經驗的基礎上，未來次表層探測雷達的發(fā)展趨勢有以下幾點：

1)多頻率組合探測。在較低的工作頻率下，獲得好的穿透性能，實現(xiàn)更深的探測深度；在較高的工作頻率，獲得更好的分辨率。

2)優(yōu)化的天線系統(tǒng)。突破折疊及展開的技術，在同樣的折疊及存儲空間條件下，研制更加復雜，孔徑更大的天線來獲得更好的指向性和增益。

3)星上實時處理。例如距離和方位壓縮將被要求在星上完成，以此減小數(shù)據(jù)存儲及傳輸率。遠距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率限制的可負擔性在星球外太空探測任務中已經成為一個重要因素。

4)簡單的、全數(shù)字化的無線電射頻的結構可以使得數(shù)據(jù)更加逼真。更加靈活地自適應地處理和數(shù)據(jù)壓縮將用來保證高的數(shù)據(jù)質量，同時將下傳的數(shù)據(jù)量最小化。

[1]Croci R, Seu R, Flamini E et al. The SHAllow RADar(SHARAD) onboard the NASA MRO mission[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(5): 794-807.

[2]Restano M, Mastrogiuseppe M, Masdea A, et al. Shallow radar (SHARAD) investigations over Sinus Meridiani [C]//IGARSS 2012. 2012: 3206-3209.

[3]Campbell B A, Putzig N E, Phillips R J, et al. Autofocus correction of phase distortion effects on SHARAD echoes [J]. IEEE GRS Letters, 2011, 8(5): 939-942.

[4]Egan A, Putzig N, Phillips R. Web GIS and other applications for MRO: SHARAD science operations[C]//SpaceOps 2010 Conference. 2010: 1-5.

[5]Campbell B A, Putzig N E, Foss F J, et al. SHARAD signal attenuation and delay offsets due to the Martian ionosphere [J]. IEEE GRS Letters, 2014, 11(3): 632-635.

[6]許小劍, 黃培康. 雷達系統(tǒng)及其信息處理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010.

Development Review on the Mars Orbiter Subsurface Sounding Radar

ZHANG Hongbo

(Naval Aeronautical Engineering Application Institute，Being 100071, China)

The subsurface sounding radar on Mars orbiter can detect the subsurface structure of the Mars surface with a high resolution, which provides the scientific data to the research on the Mars geologic structure. In view of the target media layered detection problem，the subsurface sounding radar on Mars orbiter is proposed. The detail analysis of the present development status, detection principle, index calculation method and key technology are introduced，and the developing trend of the subsurface sounding radar on Mars orbiter are stated as well.

Mars orbiter; subsurface sounding radar; developing trend

2016-03-16

張洪波(1967—)，女，北京人，高級工程師，研究方向：雷達信號處理、質量控制和信息化及法規(guī)標準化。E-mail: zhanghb32@163.com。

TN955； TP391.9

A

1008-1194(2016)06-0057-05