一、前言

電磁波具有穿透損耗介質傳播的能力，電磁波在損耗介質中傳播過程中，電場和磁場將與損耗介質發(fā)生相互作用，通過檢測從介質表面或內部反射回來的電磁波信號，可以反演損耗介質的電磁參數(shù)。基于該原理發(fā)展起來的雷達技術是探測地外星體表層和淺層地質結構的有力手段。另一方面，理論和實驗均已表明，損耗介質對電磁波信號具有低通濾波特性，即低頻電磁信號在介質中傳播時，能量衰減小，容易穿透損耗介質。因此，實現(xiàn)地外星體淺層地質探測的雷達通常均工作于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)米之數(shù)千米。

二、國外技術發(fā)展及現(xiàn)狀

上世紀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施了數(shù)百次包括月球在內的地外星體探測計劃。受當時技術條件制約，絕大部分探測器攜帶的都是各類光學或射線類的載荷，只能對星體表面特性進行觀測，不能探測星體內部地質結構。進入九十年代以后，隨著技術的不斷進步，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。例如，為了研究火星地下次表層結構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雷達系統(tǒng)（Mars Advanced Radar for Subsurface andIonospheric Sounding），MARSIS雷達系統(tǒng)是一種工作于高頻（HF）波段的火星次表層探測雷達，主要技術指標為：（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的主要科學目標為：探測火星次表層結構；探測火星水冰；探測火星電離層結構。圖1分別為MARSIS雷達天線展開和收攏狀態(tài)。

圖1、MARSIS雷達系統(tǒng)天線展開和收攏狀態(tài)

為了彌補MARSIS雷達系統(tǒng)對火星地下分層結構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雷達系統(tǒng)相類似的火星次表層結構探測雷達，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），對火星地下結構的探測分辨率遠高于MARSIS系統(tǒng)。SHARAD雷達系統(tǒng)的主要技術指標為：（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雷達系統(tǒng)的科學探測目標與MARSIS系統(tǒng)相類似，但由于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)不肩負探測火星電離層結構的任務。同時，由于SHARAD雷達系統(tǒng)工作于中心頻率為20MHz的單個頻段，也不能有效地用于研究火星電離層的TEC。

圖2分別為SHARAD雷達天線展開和收攏狀態(tài)。

圖2、SHARAD雷達系統(tǒng)天線展開和收攏狀態(tài)

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

圖3中上方為SHARAD系統(tǒng)的探測結果，下方為MARSIS系統(tǒng)的探測結果。可以看出，SHARAD對冰層厚度的分辨能力遠優(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項探測設備，LRS探月雷達（Lunar Radar Sounder）是其中之一，實現(xiàn)月面下4-5千米深度范圍內地質結構探測，如圖4所示。SELENE-LRS雷達工作于4～6MHz頻段，線形調頻脈沖信號，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）實現(xiàn)月面下1-5km月殼地質結構探測；（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月球探測雷達的典型探測結果

由于工作于HF/VHF頻段的雷達對對損耗介質具有良好的穿透性，類似于MARSIS、SHARAD的雷達技術在未來的深空探測中將得到越來越廣泛地應用。例如：日本的金星探測計劃、歐空局的金星快車計劃、歐空局/NASA的木衛(wèi)二探測計劃（Europe Jupiter System Mission：EJSM）和土星Titan探測計劃（Titan Saturn System Mission：TSSM）、歐空局Rosetta探測計劃（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計劃等，都將HF/VHF探測雷達作為重要科學探測載荷納入實施計劃中。

三、國內技術現(xiàn)狀及發(fā)展預期

地外星體淺層地質結構探測雷達源于地球上的探地雷達技術，探地雷達技術在我國已得到很好的發(fā)展，中科院電磁輻射與探測技術重點實驗室在探地雷達技術領域已開展多年的研究工作，并一直處于國內領先地位。實驗室承擔的嫦娥三號測月雷達已完成正樣產品研制，該雷達工作于HF/VHF頻段，實現(xiàn)對月壤厚度和月球次表層巖石地質結構的高分辨率探測。可以相信，隨著我國空間技術的不斷發(fā)展與進步，HF/VHF探測雷達必將陸續(xù)應用于火星、金星、小行星和木星等地外星體表層和淺層地質的結構探測，為科學家研究地外星體的形成和演化歷史提供更加有效的科學數(shù)據(jù)支撐。