超宽带穿透成像雷达及其在探月工程中的应用
方广有1,2,3，纪奕才1,2,3，沈绍祥1,2，周斌1,4，卢伟1,2，李玉喜1,2，张群英1,2，叶盛波1,2，刘丽华1,2
1 中国科学院空天信息创新研究院
2 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室
3 中国科学院大学电子电气与通信工程学院
4 中国科学院空天信息创新研究院广东大湾区研究院
第一及通讯作者： 方广有，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为超宽带雷达成像、月球与深空探测、地球物理电磁勘探以及太赫兹成像等。
导读：
嫦娥奔月，探索月球奥秘。欢迎科学爱好者阅读本文。
截至2025年底，中国探月工程已先后圆满完成了嫦娥一号、二号、三号、四号、五号和六号任务。探月工程利用航天器搭载多种仪器设备，对月球表面地形、月面有用元素和物质类型的分布特点、月壤特性和地月空间环境进行测量和探测。从三号任务开始，搭载的超宽带穿透成像雷达出色地完成了各项任务。
雷达技术用于地球上地质结构探测时称为探地雷达，用于月球表面探测时其技术要求更高，即本文中的超宽带穿透成像雷达（在具体应用中分别称为测月雷达和月壤结构探测仪）。
本文首次提出了利用超宽带穿透成像雷达技术探测月壤厚度和次表层地质结构的技术方案，并自主成功研制了测月雷达和月壤结构探测仪，在国际上率先开展了地外天体的穿透成像探测实践，并取得了重大进展。
测月雷达首先在嫦娥三号探测任务中应用，在月面成功实施巡视探测，获得了月球首个次表层地质结构剖面。作为嫦娥三号测月雷达的备份产品，嫦娥四号测月雷达随嫦娥四号月球车首次在月球背面实施探测，截止本文发表时 已经稳定可靠工作5年以上，不断刷新巡视雷达探测的时长记录。
月壤结构探测仪出色地支持了嫦娥五号、六号任务月壤样品钻取、岩石采集任务的完成。月壤结构探测仪是国际上首部着陆于月面的MIMO（Multiple Input Multiple Output）超宽带阵列穿透成像雷达。与嫦娥三号/四号搭载于月球车的测月雷达不同，该设备固定于着陆器底部，对钻取采样区域和钻头下方3 m深度范围内的月壤分层结构和岩石分布实施高分辨率成像探测，获取了国际上首幅基于着陆器原位探测的月壤精细结构图（垂直分辨率优于3 cm），清晰揭示了钻取采样路径上的月壤分层结构与碎石分布，为工程总体科学制定钻取策略、确保采样任务顺利实施及样品安全返回提供了关键的地球物理依据。如嫦娥五号上月壤结构探测仪成功发现取样钻头下方1 m处存在多个大的碎石，考虑到钻头触碰石块可能产生不确定性，为了确保样品返回成功，对原定钻取2 m深度的计划进行适时调整，在完成约1 m深度月壤采样后，及时返回了地球。
未来，根据计划，嫦娥七号任务拟于2026年前后实施，将首次前往月球南极，开展月表环境、水冰分布及月壳浅层结构的综合探测。新一代测月雷达有望在极端光照和温度条件下获取南极永久阴影区附近的次表层结构数据。
文中介绍了超宽带穿透成像雷达的工作原理及技术，通过对时间域（冲激脉冲）和频率域（如步进频连续波）穿透成像雷达信号体制的优缺点对比分析，综合考虑探测性能、技术成熟度及探月工程对仪器体积、重量和功耗的严苛要求，最终确定了冲激脉冲信号体制作为嫦娥三号/四号测月雷达的工作体制。文章着重阐述超宽带穿透成像雷达的系统设计方法，归纳了探月工程中应用的超宽带穿透成像雷达的特点及其关键技术突破，总结了超宽带穿透成像雷达实现的科学目标、取得的数据结果以及基于对数据研究的科学发现，为后续任务的仪器设计和科学研究提供有益参考。
基金项目：国家科技重大专项探月工程项目和国家自然科学基金(41941002)资助。
说明：(1)参考文献以原文为准，本推文未作详细标注。(2)本号推文素材来源于公开发表的专业/学术期刊，仅供学习交流之用，相关事实恕不另行核实。
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0 引言
1 工作原理和信号体制选择
1.1 工作原理、工作环境与技术要求
1.2 信号体制对比与选择
2 测月雷达技术与应用
2.1 月壤和月球岩石介电特性
2.2 测月雷达系统组成与工作过程
2.3 应用效果
3 月壤结构探测仪技术与应用
4 结论
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0 引言
透视地球和地外星球是人类不懈追求的梦想，月球是地球的近邻，是人类迈向太空的第一站和中转站。20世纪60年代和70年代初期，美国和苏联先后向月球发射了几十颗探测器，其中美国实施的阿波罗计划多次实现载人月球登陆，通过在局部点位安装月震仪，获取到了月球内部大尺度结构数据，但记录到的月震数据难以精细刻画数百米深度内的次表层结构(Nakamura et al.，1975)。尽管航天员通过探杆实地测量了着陆区月壤的厚度数据，但深度有限(仅3.05 m)，并没有得到月壤的全厚度(Heiken et al.，1991)。1973年，美国人在Apollo计划的最后一颗卫星Apollo 17号飞船上搭载了月球探测雷达(Apollo Lunar Sounder)，计划对月球次表层结构、月面形态等进行探测。月球探测雷达包括三个探测频段，分别为：HF1频段(5 MHz，带宽0.5 MHz，深度分辨率约200 m)、HF2频段(15 MHz，带宽1.5 MHz，深度分辨率约100 m)、VHF频段(150 MHz，带宽15 MHz，SAR模式，月面成像分辨率约10 m)，设计探测深度1～2 km。但很遗憾的是，ALSE的HF2通道没有正常开机工作，而HF1通道和VHF通道也仅累计工作了13 h(Porcello et al.，1974)。同时，由于月球探测雷达的HF通道和VHF通道的输出数据存在诸多缺陷，包括信号质量差、信噪比低、没有相位信息、深度分辨率差、无法分辨月壤深度和次表层结构等。日本于2007年发射了月神号探测器，搭载一套月球雷达探测仪(Lunar Radar Sounder)，该雷达工作频率5 MHz，带宽为2 MHz，设计探测深度1～3 km，带宽2 MHz，深度分辨率约为70 m(Ono et al.，2010)。
由于月球处于真空和较干燥状态，没有人类活动。月球表面是厚度大约几米至数十米的松软土壤(月壤)，月壤及其下面的次表层结构蕴含了月球的起源和演化过程中的关键信息，科学内涵丰富，同时，月壤中还富含地球上极为稀缺的氦-3等资源(法文哲和金亚秋，2010)，如果能够测量出月壤厚度，就可以较为准确地估算出月球上的矿物资源含量(李春来等，2023)。但截至2003年中国启动探月工程重大科技专项，人类对月壤厚度及数百米内的精细分层结构的认识仍然较少。
我国探月工程的发展战略分为“绕、落、回”三个步骤，探月工程一期向月球发射了绕月探测卫星——嫦娥一号和二号探测器，搭载了一套微波辐射计，对月面的微波辐射温度进行测量，并通过辐射亮温反演月壤厚度，但受物理机理制约，辐射亮温反演月壤厚度存在一定缺陷：(1)反演厚度有限，对于月壤厚度较厚的地区，不能获取全深度数据；(2)反演精度有限。探月工程二期嫦娥三号和四号任务对月球正面和背面典型地区实施月面巡视探测，为实现在月面就位获取月壤全厚度和次表层地质结构等数据提供了极好的机遇。
为此，本文提出了利用超宽带穿透成像雷达技术探测月壤厚度和次表层地质结构的技术，研制了测月雷达和月壤结构探测仪，在国际上率先开展了地外天体的探测实践，并取得了重大进展。其中测月雷达首先在嫦娥三号探测任务取得圆满成功，标志着人类首次通过超宽带穿透成像雷达技术在月面成功实施巡视探测(Morgan et al.，2016)。作为嫦娥三号测月雷达的备份产品，嫦娥四号测月雷达随嫦娥四号月球车首次在月球背面实施探测，至今已经稳定可靠工作5年以上，不断刷新巡视雷达探测的新记录。探月工程三期嫦娥五号的任务是在月球正面典型地区实施月壤样品钻取、岩石采集并返回。为了确保钻取采样任务顺利实施，提出利用超宽带阵列雷达(即月壤结构探测仪)对钻取采样区域和钻头下方3 m深度范围的月壤分层结构和岩石分布实施高分辨率成像探测，为地面指挥中心制定和实时修正钻取采样策略提供信息支持。月壤结构探测仪是着陆于月面的第一台MIMO(Multiple Input Multiple Output)成像雷达(Feng et al.，2022)，获取了国际首幅月壤精细结构图(分辨率优于3 cm)，及时发现了钻头下方存在多个大的碎石(块)层，为工程总体科学制定钻取过程和适时成功返回等遥控指令提供了关键信息支持。嫦娥六号已于2024年着陆于月球背面，并完成了采样返回任务，其搭载的嫦娥六号月壤结构探测仪发挥了重要作用。未来，嫦娥七号测月雷达有望在月球南极开展首次巡视雷达探测。
1 工作原理和信号体制选择
1.1 工作原理、工作环境与技术要求
用于地外星体地下浅层结构探测的穿透成像雷达与地球上的探地雷达工作原理相同，如图1所示。穿透成像雷达发射的电磁波穿透到损耗介质中，当遇到介质分层或异常体时，将产生反射回波，通过分析雷达接收到的反射回波，可以获取月壤和岩石的介质参数、月壤厚度及其分布、次表层地质结构等信息；同时，借助于反演出的介电参数，可进一步得到月壤密度参数和矿物质含量等信息(Fang et al.，2014)。
图1 超宽带穿透成像雷达工作原理示意图
图中c0为真空中的光速，ε0为空气的介电常数，σ0为空气的电导率，vi为电磁波在地下分层中第i层传播的相速，i=1，2，…，εi为地下分层的第i层的介电常数，εri为各层的相对介电常数，σi为各层的电导率，di为各层的厚度，Ti为电磁波在第i层中传播的时间。
穿透成像雷达与地球上探地雷达不同的是：
(1)探测的介质特性不同，对电磁波的传播和衰减影响差异极大
地球是高含水星球，但月球、火星等地外星体一般是比较干燥的状态(或低温冻土状态)。地球土壤含有水分，溶解在水中的离子提高了土壤的电导率，导致对电磁波的衰减比月壤高出几个量级，雷达探测深度一般仅为几米至数十米(30～50 m)，而在月球上的探测深度可以提升一个量级(300～500 m)。
(2)雷达承受的外部工作环境不同，可靠性要求极高
地球上的探地雷达一般工作在-40～+50 ℃左右；而月球的环境温度昼夜温差高达300多摄氏度(-200～+120 ℃)，而且月球是绝对真空，没有大气层，太阳高能粒子和宇宙射线直接轰击月球表面，要求雷达具有可靠的抗辐照性能。极端严苛的工作环境对穿透成像雷达系统设计提出了极高的技术挑战，航天产品的不可修复性也要求雷达系统具备极高的可靠性。
(3)航天产品对SWaP(Size，Weight and Power)要求高
众所周知，轻小型化和低功耗是航天产品是航天产品的不懈追求，而月球、火星等深空探测领域要求更甚。为了节约发射能耗和尽可能多地配置科学载荷，工程总体对穿透成像雷达系统的SWaP提出了严格要求，例如雷达重量小于5 kg，功耗小于10 W等，这些指标要求均远远超过地球上的探地雷达。
超宽带穿透成像雷达和探地雷达的应用共同点是：追求极限探测深度和极限分辨率，而且最好是两个极限指标同时实现。
1.2 信号体制对比与选择
电磁波固有的趋肤效应机理导致其穿透深度与分辨率相互制约，即电磁波工作频率越低、对介质的穿透深度越深，但其分辨率越差；反之亦然。为兼顾穿透深度和分辨率，作为浅层目标探测的技术手段，探地雷达工作带宽与其中心频率之比要大于1，即超宽频带工作(UWB，Ultra-Wide-Band)；同时，为了满足不同探测需求，在高频(HF)—特高频(UHF)频段中选择不同的雷达中心频率进行工作。
由电子学和雷达原理知，可以在时域或频域产生这种带宽与中心频率之比大于1的信号，其中时域信号主要包括：(1)无载频脉冲或冲激脉冲(Carrier-Free Pulse，Impulse)例如单极脉冲和单周期脉冲，(2)伪随机编码脉冲(Random Coded Pulse)。频域信号主要包括：(1)调频连续波(FMCW，Frequency-Modulated Continuous Wave)，(2)频率步进(Step-Frequency)。无载频脉冲和频率域信号的波形如图2所示。
图2 时域信号和频率域信号的波形
(a) 单极脉冲和单周期脉冲信号；(b) 脉冲信号的频谱；(c) 调频连续波信号；(d) 频率步进雷达信号。
图中f0为起始频率，Δf为扫描频率间隔，B为工作频带，Td为每个频点的扫描时间，Ts为雷达总的扫描时间。
时域信号体制的探地雷达主要特点为：(1) 雷达收发信号直接在时域进行，不需逆傅里叶变换(IFFT)，不存在旁瓣干扰；(2) 电路结构简洁，体积小、重量轻、结构紧凑，性价比高；(3) 接收机采用等效采样方式，功耗较小，尤其是冲激脉冲信号体制，发射脉冲占空比小，平均发射功率小，而且接收机是非相关接收模式，功耗低，因此，脉冲雷达系统的功耗低；(4) 对于深层探测，可采用时变增益技术(TVG)放大深层目标的回波信号，即接收机放大器的增益随时间变化，浅层回波放大增益小，深层回波放大增益大。这样接收机既能很好地抑制地面直达波干扰，又能有效补偿电磁波在损耗介质中随传播时间产生的非线性衰减，提升深层目标的反射信号和信噪比，提高雷达探测深度。
频域信号探地雷达的主要特点为：(1)接收机需利用IFFT变换成时域信号才能判断目标深度，但因信号带宽非无限大，变换后的时域信号必然存在大的旁瓣干扰，不利于对深层目标或位于不同深度多个目标的探测和识别；(2)在探地雷达的近地表应用场景下，由于地面直达波干扰、发射机泄露以及IFFT等因素，导致旁瓣干扰很大，接收机灵敏度变差，如图3所示；(3)接收机为相关接收模式，电路技术复杂、功耗和体积大、重量重、性价比低等。
图3 频域信号探地雷达的回波信号特点
图中热噪声功率表示为kBT0FN ，其中kB为波兹曼常数，T0为开尔文温度，FN为系统工作带宽。
基于上述原因，频率域信号体制在探地雷达中的应用较少，国际上的主要商业化产品几乎都采用脉冲模式，如表1所示。美国GSSI等公司的探地雷达产品皆采用时域脉冲工作模式，仅挪威3D-Radar公司的GeoScope 3d-GPR雷达采用频率域体制，依靠频率步进产生更大带宽，提高分辨率，但其缺陷也比较明显，包括：(1)产生大带宽导致的探测作业速度慢、效率低；(2)为避免直达波和发射机泄露导致的旁瓣干扰，发射功率低，探测深度浅。因此，该雷达主要用于道路的浅表目标高分辨率检测领域。在国内，中国科学院空天信息创新研究院(Ye et al.，2011；Liu et al.，2015)研制的CAS系列雷达，中国电子科技集团电波传播研究所(Wang et al.，2012)研制的LTD系列雷达等也都采用了脉冲工作模式。
表1 国内外探地雷达产品信号体制对比
经过综合分析对比，应用于探月工程的超宽带穿透成像雷达(包括测月雷达和月壤结构探测仪)选择冲激脉冲信号体制。
2 测月雷达技术与应用
测月雷达的探测任务是完成月球车巡视路线上月壤和次表层地质结构探测。根据雷达探测数据，提取巡视区月壤分层和厚度分布曲线，反演月壤及岩石电磁参数，为研究月球地质学、月球形成与演化历史等科学问题提供科学依据(Fang et al.，2014)。测月雷达的主要技术要求为：(1)月壤探测深度大于30 m，分辨率大于30 cm；(2)次表层地质结构探测深度不小于100 m，分辨率为米级；(3)雷达系统重量小于5.5 kg，功耗小于10 W；(4)探测月壤的天线剖面高度小于22 mm，探测次表层地质结构的天线长度小于110 cm(Fang et al.，2014)。为实现上述探测任务并满足技术要求和月球极端环境等要素约束，对测月雷达系统进行了详细设计和工程实现。
2.1 月壤和月球岩石介电特性
月球在其形成和演化过程中，经历了多次玄武岩浆喷发和小天体、陨石的频繁撞击和撞击溅射，形成了表层堆积物，并由于月面极端的冷热温差使得岩石热胀冷缩破碎。同时，月球处于真空状态，常年处于太阳风粒子和各种射线粒子轰击之下，表面逐渐风化，形成有别于地球土壤的月壤。美国Apollo计划获取了大量的月壤和岩石样品，并对月壤和岩石的介电特性进行了实验室测试(Heiken et al.，1991)。图4对月壤和岩石的介电特性测试结果进行了分析与总结。
图4 月壤和月球岩石样品的介电常数测试结果(Heiken et al.，1991)
(a) 月壤的介电常数测试值。 该图总结了不同频率的测试结果，小于1 MHz；450 MHz (标记为G的+)；9375 MHz (标记为B的+)；3.6×107 MHz (标记为P的+)。 标记M是107 Hz的平均介电常数。 (b) 月岩的介电常数测试值。 该图总结了不同频率的测试结果，小于1 MHz (标记为C的•和○)；450 MHz (标记为G的+)；9375 MHz (标记为B的+)；3.6×107 MHz (标记为P的曲线)。
根据图4a月壤介电常数测量结果与相应的月壤密度的分析归纳，美国学者Olhoeft等总结出月壤的相对介电常数可以表述为
εr=1.9ρ， (1)
其中ρ是测量样品(月壤或月球岩石)的密度，单位：g·cm-3。可见，月壤相对介电常数基本上仅与月壤密度有关，并随测量频率变化很小。
类似地，根据对月壤样品介电常数的测量结果和化学成分的分析归纳，其损耗角δ正切值可以表示为
可见，月壤损耗角正切值与月壤的金属矿物质含量和月壤密度有关。同时，月壤损耗角正切值随测量频率变化较大，在甚高频(VHF)波段以上，随频率升高而急剧增大。
图4b给出了月球岩石样品的测量结果，可见，其介电常数随测量频率变化较小，而损耗角正切与频率高度相关，尤其在VHF波段以上，急剧增大。同时，从图4还可以看出，月壤和岩石的损耗角正切值均低于地球的土壤和岩石，甚至低1～2个量级。因此，同频段、同功率的穿透成像雷达在月球上的探测深度将远大于地球上的探测深度，测月雷达在月球上的实地探测数据也证实了这一推断(Xiao et al.，2015；Zhang et al.，2021a；Feng et al.，2023)。
2.2 测月雷达系统组成与工作过程
如图5所示，测月雷达由两个探测通道组成，按照工作频段分别称之为低频通道和高频通道。低频通道工作在30～90 MHz，用于月壳浅层地质结构探测；高频通道工作在250～750 MHz，用于月壤厚度及分层结构探测。低频通道发射机产生幅度大于1000 V、上升沿小于5 ns、重频2 kHz的脉冲信号，通过低频通道发射天线辐射出去。低频通道接收天线收到反射回波信号后，传输给接收机，经接收机滤波和放大后传输给雷达控制器，雷达控制器对回波信号进行数字化和预处理后传输给有效载荷电控箱，最终传输回地球上的地面应用系统进行数据处理与图像分析。
图5 测月雷达系统组成及低频通道天线和高频通道天线在月球车上的安装示意图
(a) 系统组成图；(b) 低频和高频天线安装位置。
高频通道发射机产生幅度大于400 V、上升沿小于1 ns、重频20 kHz的脉冲信号，通过高频通道发射天线辐射出去。高频通道包含两个平行放置的接收天线，形成接收时间差。同时，两个天线还能够接收低频通道发射脉冲中的高频分量，形成更多的接收偏移距，能够更准确地反演地下目标和分层界面的深度和位置。和低频通道类似，高频通道对回波信号进行数字化和预处理后，传输回地球上的地面应用系统进行数据处理与图像分析。
在测月雷达论证和研制过程中，攻克了一系列理论方法和核心关键技术，提出了异频多发多收穿透成像雷达体制，通过不同脉冲宽度和幅度的多通道协同收发，完成雷达系统的能量复用和收发偏移距动态变化，实现探测深度和分辨率的跨越式提升，并解决电磁波固有的趋肤效应机理导致的探测深度与分辨率、浅层盲区相互制约以及反演目标存在多解性等理论难题(方广有等，2019a；Fang et al.，2020)。
传统时域脉冲发射机采用的雪崩态级联电路存在功率低、易损伤等难题，为了解决这一问题，提出了宽带射频耦合多级同步纳秒脉冲发射技术(张群英等，2015)，实现了发射机输出脉冲峰值大于1000 V，重频大于2 kHz。
传统的探地雷达接收机采用高速模数转换器(ADC)对回波信号进行数字化，在航天领域应用时存在高速宇航级ADC芯片功耗大等难题。为了解决纳秒脉冲回波信号的高速采样技术，提出了非均匀高速量化(1 bit量化)接收技术(沈绍祥等，2016)，利用高速FPGA差分端口512个基准电压对回波信号电平进行比较和量化，实现回波信号的16位量化，即等效16位的高速ADC功能。同时，每个量化电平可以赋予不同的信号增益，通过电压-增益控制技术(VGA)可实现时变增益(TVG)功能。可以看出，该方法无需ADC芯片即可实现纳秒脉冲信号的数字化，解决了高速宇航级ADC芯片功耗大等难题，同时，TVG功能有效地放大了深层目标的回波信号，增加了深层回波信噪比，提升了雷达的探测深度。
测月雷达天线安装在月球车上，要求体积小质量轻，并能适应月面-200 ℃的极低温环境。为了解决这些难题，提出了天线与月球车共形设计方法和石英纤维天线罩集成固化技术工艺(纪奕才等，2014)。通过月球车本体的镜像效应，将安装于车尾的低频通道天线由传统偶极子天线设计为单极子天线，天线长度减小50%；并将安装于月球车底的高频通道天线背腔厚度由传统1/4波长缩小至1/30波长。并提出了超宽带天线加载电阻的平面埋阻实现方法与工艺技术(纪奕才等，2015)，既解决了超宽带天线耐月球极低温(-200 ℃)环境难题，又降低了天线尺寸和重量，例如低频通道天线长度仅为110 cm，重量仅为78 g。
2.3 应用效果
嫦娥三号测月雷达于2013年12月2日伴随嫦娥三号探测器发射升空，2013年12月14日成功着陆于月球正面虹湾地区雨海盆地北部。2013年12月15日，测月雷达在月面开机工作，实现了人类首次超宽带穿透成像雷达技术的月面实测，成功获得了月壤厚度和次表层地质结构探测数据，具有里程碑意义(Zhang et al.，2015；Morgan et al.，2016；丁春雨等，2021)。2018年12月8日，我国发射了嫦娥四号探测器。嫦娥四号探测器是嫦娥三号的备份产品，被赋予了新的探测任务，也就是实现人类首次月球背面探测。2019年1月3日，嫦娥四号探测器在月球背面艾特肯盆地着陆，这是人类首个着陆于月球背面的探测器。嫦娥四号探测器携带的测月雷达在月面成功开机工作，并随着玉兔二号月球车的移动开展了月球背面月壤和次表层地质结构的探测工作，获得大量的探测数据及科学成果产出(Lai et al.，2020；Li et al.，2020；Zhang et al.，2021)。
嫦娥三号和嫦娥四号测月雷达均取得圆满成功。尽管由于玉兔一号月球车机械故障导致其仅行走110 m，但嫦娥三号测月雷达寿命一直延续了近1年时间直至月球车的能源系统完全衰竭。而嫦娥四号测月雷达已在月球背面持续工作5年以上，获取了海量的科学探测数据。测月雷达首次揭示了月球次表层的独特结构，即破碎岩石层与古月壤交互重叠形成的“多层三明治结构或类似洋葱层的结构”，表明月球在几十亿年的过程中曾发生多次玄武岩浆喷发、小天体或陨石频繁撞击等事件。国内外学者基于测月雷达数据已发表数百篇学术论文，包括Nature、Science等期刊(Xiao et al.，2015；Zhang et al.，2015，2021a；Lai et al.，2020；Li et al.，2020)。
图6和图7分别给出了测月雷达高频通道和低频通道对月壤分层、次表层地质结构及其分层的典型探测结果(Feng et al.，2023；Roncoroni et al.，2024)。高频通道的探测深度大于40 m，输出的月壤分层信息清晰、分辨率高。低频通道的探测深度大于250 m，清晰地给出了各地质层的分界面和变化。
图6 测月雷达高频通道对月壤结构的探测结果(Roncoroni et al.，2024)
图7 测月雷达低频通道对月球次表层地质结构探测结果(Feng et al.，2023)
(a) 雷达成像图；(b) 地质解译图。
值得指出的是，由于嫦娥三号测月雷达的行进距离有限，低频通道探测的地下分层结构还没有得到很好的展现，导致有学者对嫦娥三号测月雷达低频通道数据提出过质疑(Li et al.，2018；Pettinelli et al.，2021)。Zhang等(2021b)对这些质疑进行了系统的解答，有力论证了测月雷达探测数据的可信性(Zhang et al.，2021b；Cao et al.，2023)。事实上，嫦娥四号测月雷达获取的探测距离大于2000 m，很好地展示了低频通道的探测能力，如图7所示，Feng等(2023)给出了雷达时间窗5000 ns以内的探测结果，清晰地揭示了月表至地下250 m的多层地质结构及其变化。由于嫦娥三号和嫦娥四号两套测月雷达是由同批次的元器件和原材料生产，二者的技术指标和性能、功能完全相同。嫦娥四号测月雷达的探测结果证实了测月雷达低频通道探测数据的有效性。
3 月壤结构探测仪技术与应用
探月工程三期嫦娥五号和六号探测器的主要任务是实现月壤样品采样并返回地球，包含轨道器、返回器、着陆器、上升器等四个部分。月壤结构探测仪(Lunar Regolith Penetrating Radar)是安装在嫦娥五号/六号着陆器上的高分辨率月壤穿透成像雷达，是嫦娥五号/六号探测器的科学重要载荷，肩负着为月壤样品的顺利钻取和采样提供实时信息支撑的任务。主要探测任务包括：(1)为月壤的钻取采样提供信息支持；(2)月壤厚度和结构探测。主要技术要求为：(1)探测深度不小于2 m；(2)分辨率优于5 cm；(3)重量不大于4.2 kg；(4)成像时间小于50 min。
另外，根据月壤结构探测仪在月面的实测数据，还可实现如下研究目标：(1)进行月面实测数据与月壤返回样品在实验室的测量值之间的对比分析；(2)反演月壤的介电常数，并估计月壤中的矿物含量；(3)分析月貌特征与月球内部地质构造之间的联系，开展月貌形态学和地质学研究，为研究月球形成与演化历史提供科学数据。
嫦娥五号探测器的核心任务是实现2 m深度月壤的钻取采样返回，月壤结构探测仪的主要任务之一是为钻取采样提供关键的信息支撑，为此，须攻克平台不运动情况下的非均匀介质快速穿透成像难题。由雷达原理知，在平台(着陆器)不运动、被探测目标(月壤分层结构及岩石块)也不运动情况下，利用多波束扫描是实现目标成像的唯一手段，为此，提出了利用多输入多输出(MIMO)皮秒脉冲穿透成像雷达技术实现嫦娥五号的科学目标和工程探测需求(Shen et al.，2021)，主要技术包括：(1)采用大功率皮秒脉冲发射机技术，解决了常规皮秒脉冲产生电路存在的幅度小、拖尾振铃大等技术难题，经测试，发射机输出脉冲功率大于8 W、脉冲半宽小于200 ps。(2)采用自适应反馈的大动态超大带宽接收技术以及高精度皮秒步进时间延迟技术，突破了皮秒脉冲高采样接收的瓶颈技术，并解决了常规等效采样动态范围小于60 dB的难题，研发的宇航级皮秒脉冲接收机的工作带宽达到4 GHz，采样率达到32 GHz，动态范围大于80 dB。(3)采用电磁场全波方程多偏移距绕射叠加成像方法，解决了传统成像方法速度慢难题，快速完成探测区域高精度成像，将工程总体要求的反演成像时间由50 min提升至小于20 s(刘丽华等，2017；叶盛波等，2017；方广有等，2019b；周斌等，2020；李玉喜等，2020)。
月壤结构探测仪的组成如图8a所示，天线阵列在着陆器底部安装位置如图8b所示。
图8 月壤结构探测仪的组成框图和在着陆器上的安装示意图
(a) 组成框图；(b) 天线阵的安装位置。
2020年12月1日，嫦娥五号探测器在月球正面成功着陆，并开展了月壤样品的钻取采样。月壤结构探测仪成功获取世界首幅分辨率优于3 cm的月壤结构图，并发现钻头下方1 m深度处存在多个大的碎石，如图9所示(Su et al.，2022；Fang et al.，2023)。受到月面温度环境的影响，采样返回存在时间窗口限制，嫦娥五号探测器在月面的工作时间极其有限。工程总体通过对月壤结构图进行分析评估后判断，如果继续钻取大于1 m深度的样品，取样钻头会碰到大的岩石块，势必产生不确定性。为了确保样品返回成功，对原定钻取2 m深度的计划进行适时调整，完成1 m深度月壤采样后，及时返回了地球。
图9 月壤结构探测仪在嫦娥五号探测器钻取采样区域对月壤结构的成像结果
嫦娥六号月壤结构探测仪与嫦娥五号月壤结构探测仪技术状态完全一致。2024年6月2日，嫦娥六号着陆器成功着陆在月球背面的南极-艾特肯盆地，进行月球样品钻取采样。嫦娥六号月壤结构探测仪同样承担钻取采样前对采样区进行月壤结构探测的任务，为采样提供数据参考。嫦娥六号月壤结构探测仪开机工作正常，快速完成了月壤结构精细成像，采样区月壤内部碎石带、大石块分布等结构清晰，为制定正确的钻取采样策略提供了详细信息，助力完成了世界首次月球背面采样任务。
4 结论
本文介绍了超宽带穿透成像雷达的工作原理及技术，通过对时间域和频率域穿透成像雷达信号体制的优缺点对比分析，并结合探月工程对仪器体积、重量和功耗的严苛要求，确定了月球穿透成像雷达的工作体制，即冲激脉冲信号体制。着重阐述超宽带穿透成像雷达的系统设计方法和突破的核心关键技术，研制了测月雷达和月壤结构探测仪，成功应用于我国探月工程。结合超宽带穿透成像雷达在月面实地就位探测情况，总结了超宽带穿透成像雷达实现的科学目标、取得的数据结果以及基于对数据研究的科学发现。
目前，我国正在实施载人登月和火星探测二期任务等空间探测计划，对月球和火星次表层结构的探测依然是极其重要的科学目标。在总结完善已有穿透成像雷达包括测月雷达和月壤结构探测仪的技术基础上，进一步突破地外星体穿透成像雷达系统的理论方法、核心技术，满足更大深度、更高分辨率探测需求是技术发展的必然，也是为实现更多科学发现对技术提出的需求。同时，宇航员登陆月球表面，也为低频电磁法(如MT、AMT和TEM等)和地震方法等地球物理探测技术方法提供了应用契机。
致谢 感谢国家航天局探月与航天工程中心，中国科学院月球与深空探测总体部、国家天文台月球与行星探测工程地面应用系统、国家空间科学中心有效载荷总体，北京空间飞行器总体设计部等单位对本文工作的支持与帮助。
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文章版权声明：本文来源 ：方广有，纪奕才，沈绍祥等。 2024. 超宽带穿透成像雷达及其在探月工程中的应用. 地球物理学报，67(12)：4456-4467，doi：10.6038/cjg2024S0293.《覆盖区找矿》，版权归原作者所有，本文不代表阳光创译立场，并对文中观点保持中立，仅供各位阅读者交流参考之目的。本号所转载内容没有任何商业宣传目的，仅供交流，如有侵权，请联系主编删除（主编微信：suntrans2008），另外图片版权归原作者所有，如有侵权请联系我们，我们将会立刻删除！给您带来的不便，尽请谅解！
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