一、前言

電磁波具有穿透損耗介質(zhì)傳播的能力，電磁波在損耗介質(zhì)中傳播過程中，電場和磁場將與損耗介質(zhì)發(fā)生相互作用，通過檢測從介質(zhì)表面或內(nèi)部反射回來的電磁波信號，可以反演損耗介質(zhì)的電磁參數(shù)。基于該原理發(fā)展起來的雷達(dá)技術(shù)是探測地外星體表層和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力手段。另一方面，理論和實(shí)驗(yàn)均已表明，損耗介質(zhì)對電磁波信號具有低通濾波特性，即低頻電磁信號在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量衰減小，容易穿透損耗介質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)地外星體淺層地質(zhì)探測的雷達(dá)通常均工作于HF/VHF頻段，即幾兆赫茲至幾百兆赫茲，對地外星體的探測深度一般在數(shù)米之?dāng)?shù)千米。

二、國外技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

上世紀(jì)50年代至80年代，美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐空局、日本等國家或組織共實(shí)施了數(shù)百次包括月球在內(nèi)的地外星體探測計(jì)劃。受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件制約，絕大部分探測器攜帶的都是各類光學(xué)或射線類的載荷，只能對星體表面特性進(jìn)行觀測，不能探測星體內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)。進(jìn)入九十年代以后，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，美國和歐空局分別向月球、火星、金星和小行星發(fā)射了高頻探測雷達(dá)。例如，為了研究火星地下次表層結(jié)構(gòu)并探測火星表面覆蓋層下是否存在水冰，歐空局于2004年向火星發(fā)射的火星快車軌道器上搭載了MARSIS雷達(dá)系統(tǒng)（Mars Advanced Radar for Subsurface andIonospheric Sounding），MARSIS雷達(dá)系統(tǒng)是一種工作于高頻（HF）波段的火星次表層探測雷達(dá)，主要技術(shù)指標(biāo)為：（1）中心頻率：1.5—5.5MHz；（2）天線最大長度：40米(單邊20米)；（3）工作帶寬：1MHz；（4）探測深度：2～4km；（5）深度分辨率：百米量級。

MARSIS的主要科學(xué)目標(biāo)為：探測火星次表層結(jié)構(gòu)；探測火星水冰；探測火星電離層結(jié)構(gòu)。圖1分別為MARSIS雷達(dá)天線展開和收攏狀態(tài)。

圖1、MARSIS雷達(dá)系統(tǒng)天線展開和收攏狀態(tài)

為了彌補(bǔ)MARSIS雷達(dá)系統(tǒng)對火星地下分層結(jié)構(gòu)探測分辨率差的缺陷，NASA于2005年8月發(fā)射了火星偵察衛(wèi)星MRO（Mars Reconnaissance Orbiter），MRO上搭載了與MARSIS雷達(dá)系統(tǒng)相類似的火星次表層結(jié)構(gòu)探測雷達(dá)，即SHARAD系統(tǒng)（Shallow Subsurface Sounding Radar）。但由于SHARAD工作頻段較高（20MHz，依然屬于電磁波譜的HF頻段），工作帶寬也較寬（10MHz），對火星地下結(jié)構(gòu)的探測分辨率遠(yuǎn)高于MARSIS系統(tǒng)。SHARAD雷達(dá)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：（1）中心頻率：20MHz；（2）工作帶寬：10MHz；（3）天線長度：10米(單邊長度5米）（4）探測深度：～1km；（5）深度分辨率：～15m。

SHARAD雷達(dá)系統(tǒng)的科學(xué)探測目標(biāo)與MARSIS系統(tǒng)相類似，但由于SHARAD系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)高于火星電離層的截止頻率，因此，SHARAD雷達(dá)系統(tǒng)不肩負(fù)探測火星電離層結(jié)構(gòu)的任務(wù)。同時(shí)，由于SHARAD雷達(dá)系統(tǒng)工作于中心頻率為20MHz的單個(gè)頻段，也不能有效地用于研究火星電離層的TEC。

圖2分別為SHARAD雷達(dá)天線展開和收攏狀態(tài)。

圖2、SHARAD雷達(dá)系統(tǒng)天線展開和收攏狀態(tài)

由于SHARAD雷達(dá)的帶寬（10MHz）大于MARSIS系統(tǒng)的帶寬（1MHz），SHARAD的分辨率遠(yuǎn)高于MARSIS，兩套雷達(dá)系統(tǒng)對火星同一地區(qū)地下冰層的探測結(jié)果如圖3所示。

圖3中上方為SHARAD系統(tǒng)的探測結(jié)果，下方為MARSIS系統(tǒng)的探測結(jié)果。可以看出，SHARAD對冰層厚度的分辨能力遠(yuǎn)優(yōu)于MARSIS系統(tǒng)。

圖3、SHARAD和MARSIS對火星同一地區(qū)地下冰層的探測結(jié)果

日本于九十年代開始研制的探月飛船，即月神號（SELENE）飛船，搭載了14項(xiàng)探測設(shè)備，LRS探月雷達(dá)（Lunar Radar Sounder）是其中之一，實(shí)現(xiàn)月面下4-5千米深度范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，如圖4所示。SELENE-LRS雷達(dá)工作于4～6MHz頻段，線形調(diào)頻脈沖信號，脈沖寬度為200微妙，發(fā)射脈沖功率800W，功耗和重量分別為50W和24kg，天線采用偶極子形式。

SELENE-LRS的主要用途：（1）實(shí)現(xiàn)月面下1-5km月殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測；（2）測量月球環(huán)境下的宇宙噪聲。SELENE月球探測飛船于2007年9月14號發(fā)射升空，2007年11月20日，軌道高度100km，SELENE-LRS開始工作。LRS的典型探測結(jié)果如圖5所示。  

圖4、日本SELENE月球探測飛船

圖5、日本SELENE-LRS月球探測雷達(dá)的典型探測結(jié)果

由于工作于HF/VHF頻段的雷達(dá)對對損耗介質(zhì)具有良好的穿透性，類似于MARSIS、SHARAD的雷達(dá)技術(shù)在未來的深空探測中將得到越來越廣泛地應(yīng)用。例如：日本的金星探測計(jì)劃、歐空局的金星快車計(jì)劃、歐空局/NASA的木衛(wèi)二探測計(jì)劃（Europe Jupiter System Mission：EJSM）和土星Titan探測計(jì)劃（Titan Saturn System Mission：TSSM）、歐空局Rosetta探測計(jì)劃（Rosetta SpaceMission）、日本的行星B火星軌道探測器（Planet-B Mars orbiter）以及俄羅斯的火星Phobos Grunt計(jì)劃等，都將HF/VHF探測雷達(dá)作為重要科學(xué)探測載荷納入實(shí)施計(jì)劃中。

三、國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)期

地外星體淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測雷達(dá)源于地球上的探地雷達(dá)技術(shù)，探地雷達(dá)技術(shù)在我國已得到很好的發(fā)展，中科院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域已開展多年的研究工作，并一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的嫦娥三號測月雷達(dá)已完成正樣產(chǎn)品研制，該雷達(dá)工作于HF/VHF頻段，實(shí)現(xiàn)對月壤厚度和月球次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的高分辨率探測。可以相信，隨著我國空間技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，HF/VHF探測雷達(dá)必將陸續(xù)應(yīng)用于火星、金星、小行星和木星等地外星體表層和淺層地質(zhì)的結(jié)構(gòu)探測，為科學(xué)家研究地外星體的形成和演化歷史提供更加有效的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。