表層穿透雷達在月球和深空探測中的應用*

王瑞剛，蘇 彥，洪天晟，戴 舜，劉晨迪

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100101；2.中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院大學，北京 100049)

深空探測是指脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測活動[1]。從1958年美國先鋒(Pioneer)計劃首次發(fā)射月球探測器開始，人類的月球和深空探測活動經歷了兩個高峰[1]。1958年到1976年是第1個探測高峰，對月球、火星、金星、水星等開展了一系列探測任務。其中具有標志性的任務是完成了載人登陸月球及采樣返回[1]。1994年美國克萊門汀號(Clementine)探測發(fā)現(xiàn)，在月球上可能存在水冰[2]，拉開了第2個探測高峰的序幕，更多的國家制定并實施了探測計劃，完成了對月球、火星的進一步探測，實現(xiàn)了月球背面軟著陸以及雷達就位探測。2020年，歐洲航天局、美國及中國都將發(fā)射火星探測器，實現(xiàn)火星軟著陸及表面巡視探測。深空探測雷達已經有很長一段歷史，雷達探測實時性強，可以對深空目標進行全天候探測。表層穿透雷達的探測方式主要包括地基雷達、環(huán)繞器雷達以及巡視器雷達。

地基雷達是最早的探測方式，利用地基雷達進行月球和深空探測最早開始于1946年對月球的探測，其后又不斷開展了對金星、水星、火星及小行星的探測。阿雷西博(Arecibo)望遠鏡在70 cm波段獲得了月球的后向散射數(shù)據(jù)，在此基礎上什庫拉托夫(Shkuratov)和邦達連科(Bondarenko)計算得到第1幅正面的月壤厚度分布圖[3]。1988年至1990年間，文[4-5]利用阿雷西博和金石(Goldstone)雷達對火星進行了長期觀測，研究了雷達回波與雷達頻率的關系。通過進一步的分析研究獲得了火星表面圖像，并研究了火星表面分米級的粗糙程度。

環(huán)繞器雷達在月球和深空探測中起步相對較晚。1972年，阿波羅17號(Apollo17)使用阿波羅月球探測儀(Appollo Lunar Sounder Experiment, ALSE)對月球部分區(qū)域進行了探測。1994年，美國發(fā)射的克萊門汀號研究了月球對電磁波的掩蔽現(xiàn)象，同時利用回波信息分析了水冰和其他冰凍揮發(fā)物存在于月球極地的可能性[6]。2003年，歐洲航天局火星次表層和電離層先進探測雷達(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding, MARSIS)對次表層和淺表層結構進行了探測，獲得了全球3～5 MHz表面雷達回波圖，并由此求得了整個火星淺層介電常數(shù)分布[7]。2018年，意大利航天局通過對火星次表層和電離層先進探測雷達數(shù)據(jù)分析，在南極高原(Planum Australe)區(qū)域的冰蓋下1.5 km左右發(fā)現(xiàn)了寬20 km的水湖。2005年，美國航天局發(fā)射的火星環(huán)繞器搭載了火星次表層雷達(Shallow Subsurface Radar, SHARAD)對火星進行探測。2019年，文[8]利用火星次表層雷達在火星北極大約1 500 m深度發(fā)現(xiàn)了大片冰層。2007年，日本月亮女神號搭載的月球雷達探測儀(Lunar Radar Sounder, LRS)觀測數(shù)據(jù)表明，在近月面處的月海表面以下幾百米深處具有強烈的反射信號，推測反射來自于被幾百米厚的玄武質巖漿巖覆蓋的月壤層[9-11]。2009年，文[12]利用印度探月衛(wèi)星月船一號(Chandrayaan-1)搭載的微型合成孔徑雷達(Miniature Synthetic Aperture Radar, Mini-SAR)觀測數(shù)據(jù)，得到反射信號的斯托克斯參數(shù)，可以區(qū)分由水冰引起的體散射和其他形式的散射。

由于受行星登陸計劃不斷延遲或取消的影響，巡視器雷達自從1972年阿波羅17號的月表電學特性探測儀(Surface Electrical Properties, SEP)之后，處于停滯狀態(tài)。直到2014年中國嫦娥三號著陸月球，人類再次實現(xiàn)在深空目標表面利用巡視器雷達對地下結構進行探測。2019年，中國嫦娥四號實現(xiàn)了人類首次在月球背面軟著陸，攜帶的探月雷達首次實現(xiàn)了人類在月球背面進行巡視器雷達探測。2020年，中國、美國、歐洲計劃登陸火星，火星巡視器將分別攜帶火星車次表層探測雷達(Rover Subsurface Penetrating Radar, RoSPR)、火星次表層實驗雷達成像儀(Radar Imager for Mars′ Subsurface Experiment, RIMFAX)及火星水冰及次表層沉積物探測儀(Water Ice and Subsurface Deposit Observation on Mars, WISDOM)，巡視器雷達將在探測火星次表層結構及火星水冰方面發(fā)揮重要作用。

表層穿透雷達在月球和深空探測中的探測方式經歷了從地基雷達到環(huán)繞器雷達，再到巡視器雷達的過程。雷達探測模式逐漸從脈沖式雷達過渡到合成孔徑雷達及調頻雷達。雷達在月球和深空探測中已經取得了豐碩的成果，被用于探測行星表層介電特性、次表層結構、水冰等。隨著雷達技術的不斷發(fā)展進步，在未來月球和深空探測領域，雷達探測將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

1 地基雷達

地基雷達(可用于月球和深空探測的表層穿透地基雷達)是一種特大功率的主動式雷達觀測系統(tǒng)，探測原理如圖1。由地面設備向月球或深空目標發(fā)射特定頻率的電磁波，當電磁波遇到目標星體表層及內部介電常數(shù)不連續(xù)界面時發(fā)生反射，被地面設備接收。通過對接收信號進行分析，可以對深空目標的次表層結構、表面介電特征等進行研究。地基雷達主要有美國的阿雷西博、金石雷達(Goldstone Solar System Radar, GSSR)、綠岸雷達(Green Bank Telescope, GBT)及瑞典斯堪的納維亞的低頻陣列雷達(LOFAR Outrigger in Scandinavia, LOIS)系統(tǒng)[3,6,13]。表1和圖2分別為主要地基雷達的基本參數(shù)及圖片。

圖1 地基雷達工作原理圖[3]

表1 表層穿透地基雷達的參數(shù)

圖2 主要地基雷達圖片。(a)阿雷西博雷達；(b)金石雷達；(c)綠岸雷達；(d)LOIS雷達

地基雷達最早于1946年用于月球探測，文[3]利用地基雷達研究了月面撞擊坑以及雨海盆地的巖漿流[3]。隨著光學探測技術的不斷發(fā)展進步，在月球光照充足的區(qū)域，地基雷達探測已經被光學探測替代，研究重心轉向了光照條件差的兩極陰影區(qū)[3]。2008年，美國國家航空航天局利用金石地基雷達獲得了比月球環(huán)繞衛(wèi)星克萊門汀分辨率高50倍的月球南極地形圖。文[14]利用阿雷西博雷達數(shù)據(jù)，結合月球鈦鐵含量，反演得到了月球介電常數(shù)分布及月球正面的月壤厚度分布。地基雷達也廣泛應用于火星、金星、水星及小行星的探測[3]。研究人員從開普勒望遠鏡發(fā)現(xiàn)的1 235顆潛在類地行星中精選出86顆，作為綠岸雷達系統(tǒng)的觀測對象，將在探索地外生命及宜居星球方面發(fā)揮重要作用。

用于月球和深空探測的表層穿透地基雷達也是深空測控網(wǎng)絡的重要組成部分，在深空測控中發(fā)揮了重要作用。隨著探測器離地球越來越遠，地面接收的探測器信號越來越弱，普通的單個天線已經無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。將現(xiàn)有的表層穿透地基雷達與其他天線組網(wǎng)形成深空測控網(wǎng)絡是解決這一問題的主要途徑之一。深空測控網(wǎng)絡具有更大的等效口徑，可以顯著提高信號的傳輸質量，具有更高的信噪比。美國、歐洲航天局及中國已經建立了各自的深空測控網(wǎng)絡，俄羅斯、日本、印度、意大利、德國等國家沒有完整的深空測控網(wǎng)，但是已經具有各自的深空測控設備[15]。目前，只有美國的深空網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)表層穿透雷達探測，其他國家和機構的測控網(wǎng)主要用于測控，不具備主動式表層穿透雷達的探測能力[16]。

相比其他探測方法，表層穿透地基雷達具有突出的優(yōu)點：(1)低成本，地基雷達的建設和維護費用相比航天項目更加經濟，成本更低；(2)高靈活性，地基雷達可以對多個深空目標進行探測。但是地基雷達的缺點也制約其發(fā)展：(1)數(shù)據(jù)處理流程復雜，因為地球和深空目標的自轉和公轉，地球和深空目標的相對位置隨時發(fā)生變化，因此，利用地基雷達對深空目標進行觀測時，需要考慮相對運動的影響；(2)信號微弱，由于地基雷達與深空目標距離遙遠，雖然信號的發(fā)射功率很強，但是回波信號很微弱，加上宇宙本身的電磁干擾，使得很難從強的電磁背景中獲得有效信息。

2 環(huán)繞器雷達

環(huán)繞器雷達發(fā)射電磁脈沖，穿透行星表層與次表層，當脈沖遇到行星表面以及次表層內不連續(xù)的分界面時，產生回波信號并由雷達接收天線接收。通過對回波信號的分析與解譯，可以獲得月球次表層的地質結構信息。表2及表3分別列舉了各個國家已經投入使用以及計劃中的環(huán)繞器雷達及其基本參數(shù)。

表2 已投入使用的環(huán)繞器雷達基本參數(shù)

表3 計劃中的環(huán)繞器雷達基本參數(shù)

2.1 已投入使用的環(huán)繞器雷達

2.1.1 阿波羅月球探測器儀

阿波羅月球探測儀是美國于1972年發(fā)射的阿波羅17號探測器的載荷之一，它實現(xiàn)了人類首次對月球次表層的雷達探測，主要探測任務包括：(1)探測月球次表層結構；(2)繪制月球剖面圖，確定月球地形地貌；(3)月球表面微波成像；(4)測量月球環(huán)境中的銀河系電磁輻射[17]。

阿波羅月球探測儀工作在主頻為5 MHz，15 MHz及150 MHz 3個頻段，工作原理如圖3。阿波羅月球探測儀發(fā)射的電磁波穿透月球表層與次表層，當遇到月球表面以及月球次表層內不連續(xù)的分界面時，產生回波信號并由接收天線接收。通過分析回波信號，可以獲得月球次表層的地質結構信息。1973年，文[18]利用阿波羅月球探測儀數(shù)據(jù)分析得出月球次表層探測的最大深度約為1 km。阿波羅月球探測儀在澄海地區(qū)觀測到兩個幾乎連續(xù)的反射層，在危海觀測到一個反射層[6,18]。圖4及圖5分別為阿波羅月球探測儀在月球正面及背面部分區(qū)域獲得的次表層結構剖面圖。

圖3 阿波羅月球探測器雷達工作原理示意圖

圖4 阿波羅月球探測儀獲得的月球次表層結構[17]。(a)危海地區(qū)；(b)澄海地區(qū)

圖5 阿波羅月球探測器對艾特肯盆地探測結果

2.1.2 雙基雷達實驗儀(Bistatic Radar Experiment, BRE)

雙基雷達實驗儀是美國于1994年發(fā)射的克萊門汀號環(huán)繞器攜帶的雙基雷達，主要用于探測月球極地地區(qū)可能出現(xiàn)的水冰[2]。雙基雷達實驗儀向月球發(fā)射電磁波，當遇到月球表面或內部介電常數(shù)不連續(xù)的界面時產生反射信號，這些信號被地球上的深空網(wǎng)絡(Deep Space Network, DSN)雷達天線接收。通過研究分析反射信號，可以反演月球表面的地質信息。

對雙基雷達實驗儀反射信號的幅度和極化分析表明，月球表面土壤中存在水冰。然而，阿雷西博地基雷達探測結果表明，即使在非永久性陰影區(qū)域也會出現(xiàn)類似雙基雷達實驗儀的水冰信號。因此，雙基雷達實驗儀獲得的水冰信號可能是由于表面粗糙度等其他因素造成的。

2.1.3 卡西尼號(Cassini)

卡西尼號雷達是美國于1997年發(fā)射的卡西尼-惠更斯衛(wèi)星(Cassini-Huygens)的載荷之一，卡西尼-惠更斯衛(wèi)星于2004年實現(xiàn)人類探測器首次進入土星軌道，入軌不久后，卡西尼號和惠更斯號分離，卡西尼號繼續(xù)保持在土星衛(wèi)星軌道上，惠更斯號則成功在土衛(wèi)六表面著陸[1]?？ㄎ髂崽柪走_設備主要用于研究土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六，雖然很早之前就有了土衛(wèi)六存在液態(tài)甲烷海洋和湖泊的預測，但是受土星厚厚的大氣層的影響，無法通過常規(guī)方法探測到大氣層之下的信息。2006年，卡西尼號探測器繞過土衛(wèi)六，實現(xiàn)了對土衛(wèi)六的雷達探測。圖6為卡西尼號雷達獲得的土衛(wèi)六地貌圖。

圖6 卡西尼號探測器獲得的土衛(wèi)六地貌圖

土衛(wèi)六的表面隱藏著厚厚的大氣層，環(huán)繞器雷達發(fā)射的電磁波可以穿透土衛(wèi)六的大氣層，到達土衛(wèi)六表層，從土衛(wèi)六反射回來，通過對反射信號的分析可以研究土衛(wèi)六大氣層之下的地質地貌，如湖泊、山脈、沙丘等?？ㄎ髂崽柪走_的輻射模式是被動雷達模式，通過分析接收到的土衛(wèi)六自身發(fā)出的電磁波可以確定表面溫度。卡西尼號雷達設備的散射模式可以探測土衛(wèi)六表面的粗糙程度，為研究土衛(wèi)六的甲烷海洋提供科學數(shù)據(jù)。此外，卡西尼號雷達還可用來研究土星、土星環(huán)和土星的其他衛(wèi)星。

2.1.4 火星次表層和電離層先進探測雷達

火星次表層和電離層先進探測雷達是歐洲航天局于2003年發(fā)射的火星快車號(Mars Express)環(huán)繞器上的載荷之一，主要用來探測火星次表層結構及火星極區(qū)冰層[7,19-22]，工作原理如圖7，采用脈沖壓縮模式，對接收的信號進行濾波匹配，再將接收信號與發(fā)射信號進行相關處理，即可使得回波脈沖變窄，能量更加集中。為了消除脈沖壓縮后出現(xiàn)的旁瓣影響，采用漢寧窗對參考信號進行加窗處理。

圖7 火星次表層和電離層先進探測雷達工作原理圖

2012年到2015年之間，火星次表層和電離層先進探測雷達在火星南極高原區(qū)域測得與地面湖泊極為相似的反射信號，如圖8。經過對數(shù)據(jù)的進一步分析，意大利航天局于2018年公布該反射信號來自冰川和冰下湖泊的分界面，冰蓋表面下1.5 km處存在寬為20 km左右的液態(tài)水湖。但是目前還無法通過其他雷達設備獲得相似信號，包括美國的火星次表層雷達。

圖8 火星次表層和電離層先進探測雷達探測的冰蓋區(qū)域圖像

2.1.5 彗核無線電聲學實驗儀(Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission, CONCERT)

彗核無線電聲學實驗儀是歐洲航天局2004年發(fā)射的羅塞塔號(Rosetta)任務中的彗核取樣返回部分(Comet Nucleus Sample Return, CNSR)使用的雷達設備，它的主要任務是探測彗星表面的介電特性、大尺寸結構(10米量級)、彗星內部小尺度結構分布、分層結構[23]。

彗核無線電聲學實驗儀的任務是引導飛行器著陸到彗星、采樣并返回地球。圖9為彗星、著陸器及環(huán)繞器示意圖。在著陸器著陸彗星之前，首先要選擇降落點，要求降落在有冰雪及揮發(fā)性物質的地方(具有科學考察價值的地方)，同時降落點還要能保證著陸器順利著陸及返回。因此，在著陸器著陸之前，首先需要對彗星的表面結構進行探測。彗核取樣返回部分的主要任務之一就是利用雷達系統(tǒng)對彗星的地貌及表層結構進行探測，從而選擇最佳的著陸位置。

圖9 著陸器Philae和環(huán)繞器Rosetta工作示意圖

彗核無線電聲學實驗儀的基本原理是電磁波在傳播過程中有能量損失和速度變化，這個過程和彗星物質的復雜介電常數(shù)、非均質性及雷達頻率緊密相關。通過測量速度和能量變化即可反演彗星表層結構及介質特性。彗核無線電聲學實驗儀的雷達信號由環(huán)繞器發(fā)射，而由著陸器接收，當環(huán)繞器繞彗星轉動時，環(huán)繞器和著陸器的相對位置發(fā)生了變化，可以測得不同測線的彗星表層參數(shù)。

2.1.6 火星次表層雷達

火星次表層雷達是美國于2005年發(fā)射的火星勘測軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)的載荷之一。圖10為火星次表層雷達工作原理圖，它的主要任務是探測火星次表層結構及極區(qū)冰層[8,21,24]。在20年左右的運行時間內，火星次表層雷達與火星次表層和電離層先進探測雷達基本實現(xiàn)了對整個火星的雷達探測。

圖10 火星次表層雷達工作原理圖

與火星次表層和電離層先進探測雷達相似，火星次表層雷達也采用了脈沖壓縮模式，但是在處理方法上與火星次表層和電離層先進探測雷達稍有不同。同時，不同的處理團隊在處理火星次表層雷達原始數(shù)據(jù)時使用不同的方法。意大利團隊采用定標數(shù)據(jù)得到的參考信號進行脈沖壓縮，然后使用相位梯度自聚焦(Phase-Gradient Autofocusing, PGA)方法進行電離層校正。美國團隊則使用線性調頻信號頻率等分量的等幅模型，脈沖壓縮后采用頻率決定相位誤差模型進行電離層校正。

圖11為火星次表層雷達在火星北極獲得的次表層剖面圖。2019年，文[8]利用火星次表層雷達在火星北極大約1 500 m深度發(fā)現(xiàn)了大片冰層[8]。2018年，意大利航天局利用火星次表層和電離層先進探測雷達在南極高原發(fā)現(xiàn)了冰下湖，但是火星次表層雷達沒有在該區(qū)域獲得相似的反射信號。對比分析可知，火星次表層和電離層先進探測雷達的工作頻率為1.3～5.5 MHz，低于火星次表層雷達的15～25 MHz，由于高頻成分容易被衰減，因此，火星次表層雷達使用的頻率較高也可能是導致它無法發(fā)現(xiàn)同樣深度的反射信號的原因之一。

圖11 火星次表層雷達獲得的火星北極表層結構及測線信息[22]。(a)雷達剖面；(b)測線圖

2.1.7 月球雷達探測儀(Lunnar Radar Sounder, LRS)

月球雷達探測儀是日本于2007年發(fā)射的月亮女神號環(huán)繞器的載荷之一，主要任務是探測月球的次表層結構[9-10]。

月球雷達探測儀采用調頻連續(xù)波模式，中心頻率為5 MHz，掃頻范圍為2 MHz。脈沖通過一組12 m的偶極天線發(fā)射，從月面返回的信號由第2組偶極子天線接收，與第1組天線相同，但垂直定向。脈沖每50 ms重復一次，掃描速率為10 MHz/s。圖12為月球雷達探測儀工作原理示意圖，脈沖穿透到月球表面以下幾千米處，垂直分辨率為75 m左右。月球雷達探測儀有助于研究月球表面區(qū)域的熱歷史，時間尺度為幾億年。月球雷達探測儀還用于探測10 Hz到30 MHz之間的等離子波、太陽和行星無線電波[10]。

圖12 月球雷達探測儀工作原理示意圖[10]。(a)工作示意圖；(b)探測原理示意圖

2.1.8 微型合成孔徑雷達

微型合成孔徑雷達是印度航天局于2008年發(fā)射的月船一號的載荷之一，它的主要任務是探測月球極地地下幾米的永久陰暗區(qū)域是否存在水冰。研究表明，水冰物質可能存在于月球極地。一些具有含水礦物的隕石或彗星殘骸會時常墜落在月球表面，雖然其中多數(shù)的水分已在太空中蒸發(fā)消失，但是隨著時間的推移，具有顯著數(shù)量的水分將累積起來[12]。

微型合成孔徑雷達接收時采用左圓極化和右圓極化，發(fā)射時采用右圓極化，可以用來測量表面反射率、粗糙程度、圓極化比及介電常數(shù)等特性。同時，由于冰具有相干后向散射相反效應，使得反射率和圓極化率增大，這些變化可以用微型合成孔徑雷達探測。因此，微型合成孔徑雷達可以探測到月球水冰的位置和分布情況。2009年，月船一號與地面站失去聯(lián)系。2010年，美國國家航空航天局對微型合成孔徑雷達數(shù)據(jù)的研究表明，月球極地隕石坑中存在水冰。圖13為美國國家航空航天局處理得到的月球極地區(qū)域水冰分布圖。

圖13 月球極地水冰分布圖。(a)月球北極疑似水冰分布區(qū)域；(b)月球南極疑似水冰分布區(qū)域

2.1.9 微型射頻儀雷達(Miniature Radio Frequ-ency, Mini-RF)

微型射頻儀雷達是美國2009年發(fā)射的月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Obiter, LRO)的七大載荷之一，主要任務是尋找月球表面以下的水冰，圖14為工作原理示意圖。此外，該儀器還能為月球上永久背光區(qū)域拍攝高清圖像。微型射頻儀雷達是一種合成孔徑雷達，分辨率為30 m。相比傳統(tǒng)的星載合成孔徑雷達，它體積小，耗電少，成本低[25]。

圖14 微型射頻儀雷達工作原理示意圖

月球隕石坑探測衛(wèi)星(Lunar Crater Observation Sensing Satellite, LCROSS)在凱布斯(Cabeus)隕石坑探測到了水冰跡象，但微型射頻儀雷達并沒有在該地區(qū)探測到水冰。微型射頻儀雷達在月球北極的隕石坑的觀測表明，月球北極的隕石坑中可能存在水冰，但是其存在形式和儲量有待進一步研究。2011年，微型射頻儀雷達出現(xiàn)故障，只能通過地面發(fā)射雷達信號，通過月球反射后被微型射頻儀雷達接收。

2.2 計劃中的環(huán)繞器雷達

2.2.1 火星環(huán)繞器次表層探測雷達(Mars Orbiter Subsurface Investigation Radar, MOSIR)

火星環(huán)繞器次表層探測雷達是中國即將在2020年發(fā)射的HX-1環(huán)繞衛(wèi)星的載荷之一，利用它獲取火星表層和次表層雙頻雙極化雷達回波數(shù)據(jù)，開展火星次表層結構和地下水冰的探測和研究，也可以利用回波數(shù)據(jù)獲取探測器星下點高度，開展火星表面地形研究。在地火轉移軌道，將開展行星際甚低頻射電頻譜探測，獲取行星際甚低頻射電頻譜數(shù)據(jù)。

環(huán)繞器次表層探測雷達采用線性調頻脈沖壓縮體制，具有HH，HV兩種極化方式。在環(huán)繞器圍繞火星飛行過程中，環(huán)繞器雷達發(fā)射機向火星表面輻射電磁波信號，一部分信號在火星表面被反射，一部分穿透火星次表層，在火星地下介質中傳播，遇到火星土壤、冰層、巖石等不同介質的交界面時產生回波信號。通過對回波信號的分析，可以獲得環(huán)繞器星下點高度、火星表層及次表層介質分層結構、水冰信號、電離層總電子濃度等信息。另外，環(huán)繞器雷達還將進行甚低頻探測(10 KHz～10 MHz)，此時，次表層探測雷達不發(fā)射信號，并通過雷達信號處理模塊分兩段(10～500 KHz和500 KHz～10 MHz)并行處理。

2.2.2 木衛(wèi)二探測雷達(Radar for Icy Moons Exploration, RIME)

木衛(wèi)二探測雷達是歐洲航天局與美國航天局計劃于2022年發(fā)射的木衛(wèi)二探測計劃(Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE)的載荷之一。主要目標為探索木衛(wèi)三適宜人類居住的可能性；探測木衛(wèi)二的活動區(qū)域；研究早期木星系統(tǒng)產生的木衛(wèi)四號；確定冰殼的分布及表面年齡[26]。

經過對雷達穿透能力、反射面粗糙程度、木星無線電噪聲等方面的優(yōu)化分析，木衛(wèi)二探測雷達最終采用頻率為9 MHz，帶寬為3 MHz，由長16 m的偶極子天線發(fā)射，可以對木星衛(wèi)星表層下9 km的范圍內進行探測，垂直分辨率為30 m。水冰界面介電常數(shù)差異較大，雷達波會被反射，利用界面信息可以計算損耗，從而獲得冰內散射體的大小。此外，雷達信號在冰中的衰減程度是其成分和溫度的函數(shù)，因此可以利用測得的雷達信號反演冰層的溫度和成分。

3 巡視器雷達

巡視器雷達利用搭載在巡視器上的雷達對星球表面進行就位探測。巡視器雷達比環(huán)繞器雷達離星球表面更近，能夠有效消除空間傳播損耗以及空間復雜電磁背景等干擾因素的影響[6]，可以獲得更高分辨率的星球次表層結構。由于巡視器行走緩慢，巡視器雷達只能在星球表面的局部區(qū)域進行探測，探測范圍有限，探測效率較低。表4及表5分別列舉了已投入使用以及計劃中的巡視器雷達的基本參數(shù)。

表4 已投入使用的巡視器雷達基本參數(shù)

表5 計劃中的巡視器雷達基本參數(shù)

3.1 已投入使用的巡視器雷達

3.1.1 月表電學特性探測儀(Surface Electrical Properties, SEP)

月表電學特性探測儀是美國1972年發(fā)射的阿波羅17號攜帶的載荷之一，主要用于測量介電常數(shù)、損耗角正切，對月下分層結構進行研究[27]。

月表電學特性探測儀的工作原理示意圖如圖15，發(fā)射天線為交叉偶極子，接收器由3個互相垂直的線圈組成。發(fā)射天線固定在月球表面，接收天線安裝在巡視器上，隨著巡視器移動進行動態(tài)測量。月表電學特性探測儀利用表面波和次表面波之間的干涉計算介電常數(shù)及損耗角正切。此外，月表電學特性探測儀數(shù)據(jù)也可以用來研究來自地下不同介質的分界面及次表層結構[27-28]。月表電學特性探測儀是最原始的巡視器雷達，由于其發(fā)射天線固定在月表，當巡視器行走較遠距離時，信號衰減明顯，需要重新放置發(fā)射天線，探測效率較低。

圖15 月表電學特性探測儀工作原理示意圖[27]

月表電學特性探測儀測得冰的介電常數(shù)為3.3，損耗角正切為0.1，這與其他方法測得的介電常數(shù)典型值一致。在外場實驗中測得的冰的深度(25 m)也和其他方法測得的真實值符合。在1～32 MHz范圍內，根據(jù)層結構和電學性質的不同，可探測5 m到幾千米范圍內的分層。在頻率為2 MHz，8 MHz和16 MHz時，尺寸為35 m的大的散射體特征明顯。頻率為1 MHz和2 MHz時，尺寸小于35 m的散射體的信號消失，無法探測到回波信號[27]。

3.1.2 測月雷達(Lunar Penetrating Radar, LPR)

測月雷達是中國探月工程于2013年和2018年發(fā)射的嫦娥三號和嫦娥四號巡視器的載荷之一，主要探測任務是巡視路線上月壤厚度及淺層結構[29-32]。

測月雷達采用收發(fā)分置天線，發(fā)射天線系統(tǒng)產生微秒電磁脈沖，雷達天線在月球車上的安裝位置如圖16。雷達系統(tǒng)產生的電磁波信號在月下傳播過程中，如果遇到不均勻層、不同介質交界面、熔巖管、漂石等目標，將被反射和散射。接收天線接收到回波信號后，經過接收機放大、采樣后獲得相應的探測數(shù)據(jù)。通過對探測數(shù)據(jù)進行分析、處理和成像，可以反演巡視器行走路徑下方月壤厚度及其分布、漂石和熔巖管的分布以及月殼次表層巖石地質結構等信息[31]。

圖16 嫦娥三號巡視器及測月雷達

測月雷達貼近月球表面探測，有效地消除了電磁背景和空間衰減的影響，具有更高分辨率和信噪比，利用測月雷達數(shù)據(jù)已經取得了很多科學成果。文[33]利用嫦娥三號測月雷達數(shù)據(jù)對月球次表層進行了研究，獲得了9個分層結構，如圖17，研究表明，該區(qū)域前期經歷了復雜的地質活動。文[34]利用嫦娥三號測月雷達數(shù)據(jù)獲得了月球表層月壤厚度大約為5 m，大于以往對月球表層厚度的估計。對高頻數(shù)據(jù)研究獲得的雷達剖面如圖18，剖面數(shù)據(jù)顯示，巡視器行進路徑附近月壤厚度在2.5～5.4 m之內。文[34]認為大厚度的月球表層表明，巡視路徑附近的表層物質并非附近隕石坑形成時的噴射物沉積形成。文[35]利用嫦娥三號測月雷達剖面中的繞射雙曲線計算了次表層介電常數(shù)，根據(jù)獲得的介電常數(shù)差異，確定了三層次表層結構，厚度分別為0.95 m，1.25 m及1.7 m，解釋結果如圖19[35]。文[36]利用嫦娥三號測月雷達數(shù)據(jù)分析了雷達穿透深度，結果表明，低頻模式下雷達的穿透深度為136.9～165.5 m，而高頻模式下雷達的穿透深度為13～17.5 m。嫦娥四號攜帶的測月雷達首次實現(xiàn)了人類在月球背面使用巡視器雷達進行探測，文[37]利用嫦娥四號巡視器雷達數(shù)據(jù)劃分了著陸區(qū)附近的次表層結構，雷達剖面及次表層結構解釋結果如圖20。研究表明：(1)嫦娥四號著陸點的雷達高頻信號的穿透深度比嫦娥三號著陸點的深得多；(2)嫦娥四號著陸區(qū)月表以下主要由低損耗、高孔隙度、顆粒狀材料和不同大小的漂礫構成；(3)月海基底層的頂部應深于40 m[37]。

圖17 嫦娥三號測月雷達高頻數(shù)據(jù)反演的分層結構[33]

圖18 利用嫦娥三號測月雷達數(shù)據(jù)獲取月壤厚度[34]

圖19 嫦娥三號巡視路徑上的雷達剖面及反演的地層模型[35]。(a)雷達剖面；(b)巡視路徑地質模型

圖20 嫦娥四號測月雷達數(shù)據(jù)反演結果。(a)嫦娥四號雷達剖面；(b)嫦娥四號雷達數(shù)據(jù)反演的分層結構；(c)利用嫦娥四號雷達數(shù)據(jù)反演的次表層剖面[37]

3.2 計劃中的巡視器雷達

3.2.1 火星水冰及次表層沉積物探測儀

火星水冰及次表層沉積物探測儀是歐洲航天局計劃于2020年發(fā)射的火星天文生物學(ExoMars)任務的羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin)巡視器上的載荷之一，它是一種表層穿透雷達，科學目標為研究火星淺次表層的性質，并尋找過去以及現(xiàn)在火星上生命存在的證據(jù)[38]。

火星水冰及次表層沉積物探測儀是一種特高頻步進頻率雷達，頻段500 MHz～3 GHz，帶寬2.5 GHz，通過天線發(fā)射大量連續(xù)波信號，每個連續(xù)波對應一個頻率，持續(xù)時間為一個步長的時間間隔。完成一次測量需要對每個頻率的回波進行測量，這些頻率覆蓋了整個工作波段，測量獲得的是后向散射信號的實部。測量完成后，將對數(shù)據(jù)進行希爾伯特變換，反演出被雷達覆蓋區(qū)域的復傳遞函數(shù)，再進行逆傅里葉變換將信號轉變回時間域。此外，還將對回波信號施加不同的頻譜窗函數(shù)以減小距離向上的旁瓣，進行濾波提高信號的信噪比[39]。圖21為火星水冰及次表層沉積物探測儀外場實驗獲得的雷達剖面，從圖中可以清晰看到地層界面，圖21(a)中可以看出厚度約為50 cm的干河床，圖21(b)中可以看到兩個火山碎屑巖沉積層，最上部的水平層狀碎屑巖對應于厚度大約為50 cm的全球層。

圖21 火星水冰及次表層沉積物探測儀雷達地面測試結果[38]。(a)在阿塔卡瑪(Atacama)沙漠實驗結果；(b)意大利埃特納(Etna)火山測試結果

3.2.2 火星車次表層探測雷達

火星車次表層探測雷達是中國計劃于2020年發(fā)射的HX-1火星探測任務的巡視器載荷之一，它具有高頻和低頻兩個通道，分別主要用于探測淺層和深層的土壤厚度與冰層結構。

火星車次表層探測雷達工作示意圖如圖22，在火星車行進過程中，雷達發(fā)射機產生超寬帶微波信號，向火星地下輻射電磁波信號。當電磁波遇到土壤分層、冰層、巖石等目標時，產生散射和反射回波信號。雷達接收天線接收回波信號后將其傳送至接收機進行處理。通過對雷達回波信號的分析，可以獲得巡視器巡視路徑下的地質分層、巖石、冰層等信息，將有助于火星地質演化分析和水冰的探測。不同于中國測月雷達的高頻通道，火星車次表層探測雷達的高頻通道可以進行HH，HV，VH，VV全極化探測，能夠用于分析和探測水冰、散射體形狀、地層分界面的形狀和粗糙程度。

3.2.3 火星次表層實驗雷達成像儀

火星次表層實驗雷達成像儀是美國計劃于2020年發(fā)射的MARS 2020火星探測任務的巡視器載荷之一，它的主要目標是對火星次表層結構成像，獲取火星地表下的地質特征，并提供關于次表層成分的信息?；鹦谴伪韺訉嶒灷走_成像儀獲取的雷達剖面圖像可以用于揭示層積巖過去暴露在火星表面的歷史，比如撞擊、風蝕、河流沖積痕跡等[40]。

火星次表層實驗雷達成像儀的工作原理圖如圖23，它的天線為超寬帶蝴蝶結形縫隙天線，具有發(fā)射和接收兩個模式，工作時在兩個模式之間來回切換。采用門限調頻連續(xù)波模式，有3個掃描頻段，分別為150～300 MHz，300～600 MHz和600～1 200 MHz?；鹦谴伪韺訉嶒灷走_成像儀有兩種工作模式：(1)淺層工作模式，在該模式下，雷達系統(tǒng)會設置門限，使表面反射信號在接收窗口內；(2)用于探測深處的次表層，該模式去除了表面反射信號以及其他的強反射源，在該模式下，系統(tǒng)增益變大，發(fā)射功率也變大[40]?；鹦谴伪韺訉嶒灷走_成像儀的探測深度為10 m，垂直分辨率約為30 cm[40]。圖24為火星次表層實驗雷達成像儀在2015于挪威斯瓦爾巴特的冰川上測得的雷達剖面，從圖中可以看到兩個界面，最上部冰川溫度低，下部冰川溫度相對較高，這一結果符合中特·洛文布里(Midtre Lovenbreen)冷溫復合型冰川[40]。

4 總結與展望

表層穿透雷達是人類探索宇宙的有效方法，有利于推動宇宙形成與演化等一系列重大科學問題研究。同時，深空探測有助于催生一系列基礎性、前瞻性的新學科、新技術，促進科學技術的發(fā)展[1]。雷達穿透性強，不依賴于光照，具有全天候、分辨率高等優(yōu)勢，在月球和深空探測中發(fā)揮了重要作用。人類利用雷達進行月球和深空探測已經有一段歷史，地基雷達、環(huán)繞器雷達及巡視器雷達在月球和深空探測領域已經取得了豐碩的成果。20世紀以來，各國加大了對月球和深空探測領域的投入，月球和深空探測將迎來新的高峰，人類將探測離地球更遠的深空目標。隨著探測距離越來越遠，面臨的科學問題越來越復雜，對月球和深空探測的要求也越來越高。為了滿足對月球和深空目標的探測要求，需要在現(xiàn)有成果和技術的基礎上，對傳統(tǒng)的表層穿透雷達進行改進，使其適應于探測更遠、更復雜的深空目標，有助于推動月球和深空探測事業(yè)的發(fā)展。

4.1 月球和深空探測的發(fā)展趨勢

縱觀表層穿透雷達在月球和深空探測的應用歷史，從最開始的月球探測，到近地行星探測(金星和火星)，再到離地球更遠的其它星體的探測，表層穿透雷達對月球和深空目標的探測大體經歷了由近到遠的過程，未來的月球和深空探測也將遵循這一原則。對于特定的探測目標，對其探測方法大體經歷了地基雷達探測、環(huán)繞器雷達探測、巡視器雷達探測、載人登陸和采樣返回的過程，這也是未來月球和深空探測方式的發(fā)展趨勢。

對于太陽系星體，人類已經全部實現(xiàn)了地基雷達觀測。對月球、火星、金星、土星、木星實現(xiàn)了環(huán)繞器雷達探測。對月球、金星、火星及木衛(wèi)六實現(xiàn)了著陸探測。由于獨特的位置優(yōu)勢，月球是人類探測最早、探測次數(shù)最多的星球，也是人類唯一登陸探測的星球。人類對月球的探測實現(xiàn)了首次對地外星球從地基雷達到環(huán)繞器雷達、巡視器雷達，再到載人登陸及采樣返回的完整探測。從各國制定的探月計劃可知，未來對月球的探測將沿著載人登陸及更加精細化探測的方向發(fā)展。截止目前，對火星的探測已經實現(xiàn)了地基雷達觀測、環(huán)繞衛(wèi)星探測以及無人著陸巡視，未來火星探測將逐步實現(xiàn)載人登陸及采樣返回。表6和表7分別匯總了中國及外國在未來10年內的主要月球和深空探測任務。

表6 中國未來10年的主要探測任務[41]

表7 外國未來10年主要探測任務[45-46]

4.2 表層穿透雷達的發(fā)展趨勢

4.2.1 地基雷達

遠距離、廣覆蓋面、高分辨率、多目標追蹤是未來地基雷達系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[13]。同時，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，地基雷達需要具有更大口徑。隨著雷達口徑逐漸到了設計極限，需要將各地的天線組合起來形成具備更大等效口徑的天線陣。在未來地基雷達設計中，為雷達設計用于天線陣組網(wǎng)的開放接口，使其能夠實現(xiàn)天線組網(wǎng)是未來地基雷達的發(fā)展趨勢之一[1,42-44]。美國將在2020年建成由400多個12 m天線組成的等效口徑為240 m的天線陣，接收信號的信噪比將顯著提高。

地基雷達具有成本低、建設周期短、靈活性好等優(yōu)勢，國外很早就開始利用地基雷達進行月球和深空探測，取得了豐碩的成果。隨著時間的推移，技術也更加成熟。對我國而言，環(huán)繞器雷達和巡視器雷達已經比較成熟，但是國內目前還沒有用于深空探測的地基雷達。因此，地基雷達系統(tǒng)建設是我國雷達深空探測的發(fā)展方向之一，建設用于深空探測的地基雷達將有利于推動我國深空探測事業(yè)的發(fā)展。

4.2.2 環(huán)繞器雷達

大孔徑、輕質量、高增益、小體積是未來環(huán)繞器雷達的總體發(fā)展趨勢[13]。低頻信號探測深度大、分辨率低，而高頻信號探測深度小、分辨率高。因此，未來環(huán)繞器雷達將設計多頻段探測模式。此外，利用環(huán)繞器雷達可以進行多極化、多方位探測，結合其他探測方法(如光學、伽馬射線等)，可以探測水冰、確定分層結構及表面粗糙程度[4]。因此，多極化探測將成為環(huán)繞器雷達的發(fā)展趨勢之一。

4.2.3 巡視器雷達

截止目前，只有阿波羅17號的月表電學特性探測儀和中國嫦娥三號、嫦娥四號的測月雷達實現(xiàn)了在星球表面利用巡視器雷達進行探測。月表電學特性探測儀發(fā)射天線固定在月表，接收天線安裝在巡視器上。由于其探測效率較低，逐漸被共偏移距的脈沖雷達替代。測月雷達使用脈沖雷達模式，其發(fā)射天線和接收天線都安裝在巡視器上，采用收發(fā)分置共偏移距模式，探測效率高，比月表電學特性探測儀具有更高的分辨率。但是測月雷達使用的脈沖雷達無法同時滿足高分辨率和大探測深度的要求，而且其發(fā)射功率較大，容易受電離層影響。與月球探測相比，火星探測還需要考慮電離層的影響。因此，脈沖雷達模式不適用于火星探測。為了消除電離層的影響，同時提高探測深度和分辨率，巡視器雷達需要采用調頻信號及脈沖壓縮處理方法，這將成為未來巡視器雷達的主要探測方式。在2020年，中國、美國及歐洲航天局都計劃發(fā)射火星探測器，將分別攜帶火星車次表層探測雷達、火星次表層實驗雷達成像儀、水冰及次表層沉積物探測儀，它們將分別采用線性調頻連續(xù)波、門限調頻連續(xù)波以及步進頻率連續(xù)波模式。