方广有：雷达技术在地外星体浅层结构探测中的应用与发展

一、前言

电磁波具有穿透损耗介质传播的能力，电磁波在损耗介质中传播过程中，电场和磁场将与损耗介质发生相互作用，通过检测从介质表面或内部反射回来的电磁波信号，可以反演损耗介质的电磁参数。基于该原理发展起来的雷达技术是探测地外星体表层和浅层地质结构的有力手段。另一方面，理论和实验均已表明，损耗介质对电磁波信号具有低通滤波特性，即低频电磁信号在介质中传播时，能量衰减小，容易穿透损耗介质。因此，实现地外星体浅层地质探测的雷达通常均工作于HF/VHF频段，即几兆赫兹至几百兆赫兹，对地外星体的探测深度一般在数米之数千米。

二、国外技术发展及现状

上世纪50年代至80年代，美国、苏联/俄罗斯、欧空局、日本等国家或组织共实施了数百次包括月球在内的地外星体探测计划。受当时技术条件制约，绝大部分探测器携带的都是各类光学或射线类的载荷，只能对星体表面特性进行观测，不能探测星体内部地质结构。进入九十年代以后，随着技术的不断进步，美国和欧空局分别向月球、火星、金星和小行星发射了高频探测雷达。例如，为了研究火星地下次表层结构并探测火星表面覆盖层下是否存在水冰，欧空局于2004年向火星发射的火星快车轨道器上搭载了MARSIS雷达系统（Mars Advanced Radar for Subsurface andIonospheric Sounding），MARSIS雷达系统是一种工作于高频（HF）波段的火星次表层探测雷达，主要技术指标为：（1）中心频率：1.5—5.5MHz；（2）天线最大长度：40米(单边20米)；（3）工作带宽：1MHz；（4）探测深度：2～4km；（5）深度分辨率：百米量级。

MARSIS的主要科学目标为：探测火星次表层结构；探测火星水冰；探测火星电离层结构。图1分别为MARSIS雷达天线展开和收拢状态。

图1、MARSIS雷达系统天线展开和收拢状态

为了弥补MARSIS雷达系统对火星地下分层结构探测分辨率差的缺陷，NASA于2005年8月发射了火星侦察卫星MRO（Mars Reconnaissance Orbiter），MRO上搭载了与MARSIS雷达系统相类似的火星次表层结构探测雷达，即SHARAD系统（Shallow Subsurface Sounding Radar）。但由于SHARAD工作频段较高（20MHz，依然属于电磁波谱的HF频段），工作带宽也较宽（10MHz），对火星地下结构的探测分辨率远高于MARSIS系统。SHARAD雷达系统的主要技术指标为：（1）中心频率：20MHz；（2）工作带宽：10MHz；（3）天线长度：10米(单边长度5米）（4）探测深度：～1km；（5）深度分辨率：～15m。

SHARAD雷达系统的科学探测目标与MARSIS系统相类似，但由于SHARAD系统的工作频率远高于火星电离层的截止频率，因此，SHARAD雷达系统不肩负探测火星电离层结构的任务。同时，由于SHARAD雷达系统工作于中心频率为20MHz的单个频段，也不能有效地用于研究火星电离层的TEC。

图2分别为SHARAD雷达天线展开和收拢状态。

图2、SHARAD雷达系统天线展开和收拢状态

由于SHARAD雷达的带宽（10MHz）大于MARSIS系统的带宽（1MHz），SHARAD的分辨率远高于MARSIS，两套雷达系统对火星同一地区地下冰层的探测结果如图3所示。

图3中上方为SHARAD系统的探测结果，下方为MARSIS系统的探测结果。可以看出，SHARAD对冰层厚度的分辨能力远优于MARSIS系统。

图3、SHARAD和MARSIS对火星同一地区地下冰层的探测结果

日本于九十年代开始研制的探月飞船，即月神号（SELENE）飞船，搭载了14项探测设备，LRS探月雷达（Lunar Radar Sounder）是其中之一，实现月面下4-5千米深度范围内地质结构探测，如图4所示。SELENE-LRS雷达工作于4～6MHz频段，线形调频脉冲信号，脉冲宽度为200微妙，发射脉冲功率800W，功耗和重量分别为50W和24kg，天线采用偶极子形式。

SELENE-LRS的主要用途：（1）实现月面下1-5km月壳地质结构探测；（2）测量月球环境下的宇宙噪声。SELENE月球探测飞船于2007年9月14号发射升空，2007年11月20日，轨道高度100km，SELENE-LRS开始工作。LRS的典型探测结果如图5所示。  

图4、日本SELENE月球探测飞船

图5、日本SELENE-LRS月球探测雷达的典型探测结果

由于工作于HF/VHF频段的雷达对对损耗介质具有良好的穿透性，类似于MARSIS、SHARAD的雷达技术在未来的深空探测中将得到越来越广泛地应用。例如：日本的金星探测计划、欧空局的金星快车计划、欧空局/NASA的木卫二探测计划（Europe Jupiter System Mission：EJSM）和土星Titan探测计划（Titan Saturn System Mission：TSSM）、欧空局Rosetta探测计划（Rosetta SpaceMission）、日本的行星B火星轨道探测器（Planet-B Mars orbiter）以及俄罗斯的火星Phobos Grunt计划等，都将HF/VHF探测雷达作为重要科学探测载荷纳入实施计划中。

三、国内技术现状及发展预期

地外星体浅层地质结构探测雷达源于地球上的探地雷达技术，探地雷达技术在我国已得到很好的发展，中科院电磁辐射与探测技术重点实验室在探地雷达技术领域已开展多年的研究工作，并一直处于国内领先地位。实验室承担的嫦娥三号测月雷达已完成正样产品研制，该雷达工作于HF/VHF频段，实现对月壤厚度和月球次表层岩石地质结构的高分辨率探测。可以相信，随着我国空间技术的不断发展与进步，HF/VHF探测雷达必将陆续应用于火星、金星、小行星和木星等地外星体表层和浅层地质的结构探测，为科学家研究地外星体的形成和演化历史提供更加有效的科学数据支撑。