火星环绕器次表层探测雷达发展综述

张洪波

(海军航空工程应用所，北京 100071)

火星环绕器次表层探测雷达发展综述

张洪波

(海军航空工程应用所，北京 100071)

火星环绕器次表层探测雷达能够实现环火轨道火星次表层结构高分辨探测，为深入研究火星地质结构提供科学数据。针对目标介质分层的探测问题，进行了火星环绕器次表层探测雷达发展综述。详细介绍了火星环绕器次表层探测雷达的发展现状、探测原理、指标计算方法及关键技术，并对火星环绕器次表层探测雷达的发展趋势进行了展望。

火星环绕器；次表层探测雷达；发展趋势

0 引言

火星是太阳系八大行星之一，从距离太阳由近至远的角度而言，火星是太阳系中的第4个行星。火星轨道的外侧邻近的是小行星带和木星，内侧最靠近它的行星是地球。在太阳系的行星中，火星与地球之间存在最多的相似之处：两者有几乎相同的昼夜长短，有几乎相同的季变化。由于火星与地球的某些物理特性类似以及其独特的地形地貌，引起了人类对火星探测的浓厚兴趣。

探测火星地面及表层之下的液态水或者固态水，是对火星探测活动最有意义的一项工作。而低频段雷达具有穿透星球表面的能力，是完成火星探测的好的选择。火星环绕器次表层探测雷达能够实现环火轨道火星次表层结构高分辨探测，获取火星表层和次表层多频多极化雷达回波数据[1-4]，为深入研究火星土壤层、沉积层和冰层等地质结构提供科学数据。

1 火星环绕器次表层探测雷达发展现状

早在1960年，前苏联便发射了首颗火星探测器，人类自此开始了对火星的探测。随后，美国、欧空局、俄罗斯、日本、中国等国家也相继提出火星探测计划。

由于微波具有很强的穿透能力，可以穿透到星球干燥的次表层，揭示了次表层结构特征，因此，星载微波遥感技术很快被应用到对火星的探测中。过去的近二十年是火星探测的黄金时代，从各种小型轨道飞行器及着陆器获取的电磁频谱遥感观测数据中，我们对于这个星球的认识逐渐加深。

在近十年间，火星探测雷达已经对火星的表面、次表面和电离层开展了广泛的探索。典型的火星次表层探测雷达包括搭载在欧空局发射的“火星快车”上的火星次表层电离层先进探测雷达(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding Radar, MARSIS)和搭载在美国国家航空航天局发射的“火星勘测轨道器”上的浅表层探测雷达(Shallow Subsurface Sounding Radar ，SHARAD)。

1.1 火星次表层电离层先进探测雷达(MARSIS)

2003年12月25日欧空局( European Space Agency，ESA)将“火星快车”送入火星轨道。它首次携带下视雷达——火星次表层电离层先进探测雷达(MARSIS)对火星的表层、次表层和电离层进行了深入的探测，如图1所示。MARSIS的主要科学目标包括：探测火星次表层的三维地质结构的特征和分布；获得火星表面信息；探测电离层和包括电离层在内的火星上层大气与太阳风的相互作用特征[5]。

图1 搭载在火星快车上的MARSIS雷达天线Fig.1 Antenna of MARSIS radar

MARSIS是工作于下视状态的合成孔径雷达，配备一根长40 m的偶极子天下，具有多个工作频率，主要频率范围为1.3～5.5 MHz，对应的电磁波长为55～230 m。火星次表层探测模式有效运行高度在900 km以下，持续26～30 min。MARSIS在地表的足印大约为(5×10)～(10×30)km2。自由空间中的垂直分辨率为150 m。可以稳定地实现200～3 700 m深度的次表层探测。当MARSIS进行次表层深度探测时，工作在低频模式下，但由于信号带宽的限制(仅能实现1 MHz带宽)，垂直分辨率也将大幅降低。MARSIS同时配备了电离层探测器，它可以测量并去除电离层散射效应，帮助完成次表层探测的频率选择。同时也可以进行电离层研究。MARSIS在次表层探测时发射大带宽的线性调频信号，在电离层探测时工作于步进频模式，频率范围为0.1～5.5 MHz。

1.2 浅表层雷达(SHARAD)

为了弥补MARSIS雷达探测分辨率的缺陷，NASA于2005年8月发射了“火星勘测轨道器”MRO，并搭载了浅表层探测雷达(SHARAD)，如图2所示。SHARAD主要用于探测火星浅表层可能存在的液态或固态水，其主要的科学目标包括：靠近地表水层的发现；极地区域薄冰的廓线测量；通过极化数据研究火星电磁场和电离层的特性；火星表面雷达回波的极化特性评估。

图2 搭载在火星勘测轨道器上的SHARAD雷达天线Fig.2 Antenna of SHARAD radar

SHARAD雷达中心频率为20 MHz，信号带宽10 MHz，对应的电磁波长为15 m，配备一根长10 m的偶极子天线。因此相比MARSIS雷达可以实现更高的垂直分辨率，但是其地表穿透能力也相应下降。SHARAD在地表的足印大约为(0.3×3)～(1×6)km2，自由空间中的垂直分辨率为15 m，可以稳定地实现20～2 700 m深度的次表层探测。SHARAD雷达系统可以穿透浅表层500 m岩石或冰层以寻找水存在的证据，但是由于SHARAD系统的工作频率远高于火星电离层的截止频率，因此，SHARAD雷达系统不承担火星电离层结构的任务。此外，由于SHARAD雷达系统工作于单一频段，也不能有效地探测火星电离层下的积分电子总量(TEC)。

1.3 未来发展规划

对于未来的发展规划，NASA在2011年公布了《美国2013—2020行星探测十年规划》，计划在2016年发射“洞悉号(InSight)”火星探测器，提出“火星2020登陆车”将执行火星采样返回任务。2016年ESA“地外火星计划(ExoMars)”也将发射火星轨道探测器，并于2018年将再次发射一个火星探测器和火星车。

2 火星环绕器次表层探测雷达探测原理

环绕器次表层探测雷达可以看成是一种用于火星地质分层结构探测的探地雷达。目标和环境是雷达作用的对象，同时又反过来作用于雷达，影响雷达系统的设计和应用。与常规雷达相比，探地雷达所探测的目标可以看成是介质的分层，其传输环境是不同的介质环境，如土壤、冰、水等有耗介质。因此，下面首先介绍电磁波在介质中的传播和散射特性。

2.1 电磁波在电介质中的反射和传播

当平面电磁波入射到具有不同特征阻抗的电介质界面时，其一部分能量被反射，一部分被传播，如图3所示Ei为入射电磁波，Er1为对应于Ei的表层反射回波，Er2为对应于Ei的次表层反射回波，Er3表示对应于Ei的多次反射回波。需要说明的是，这些电磁波均具有角度方向，本方案中考虑到表述方便均省略了特定的角度信息。在次表层探测雷达系统中主要关心垂直入射(星下点)及由之对应的表层与次表层回波，即Er1与Er2。

这三个不同信号的电平可以粗略描述为如下：

(1)

对于非导电介质，反射系数Γ1,2和传播系数T1,2分别为如下：

(2)

其中，εr1为介质层1的相对介电常数，εr2为介质层2的相对介电常数，εr3为介质层3的相对介电常数。介质层1通常为空气，εr1=1，如图3所示。因此，次表层探测雷达，通过接收的表层、次表层的后向散射回波，并对之分析，可以得出介质层2的介电常数、介质层2的厚度以及介质层3的介电常数。当然，系统设计及处理时需要尽量降低星下点之外的回波(杂波)对有用回波的影响，以更准确地推断出地质分层结构。

图3 媒质中电磁波的传播路径Fig.3 Electromagnetic wave transmit in medium

实际上，大多是介电常数的不连续导致了电磁波的反射。导电率影响媒介对雷达波的能量的吸收。介电常数的变化对媒介的特征阻抗变化影响最大，所以火星地表下的物质的介电常数的变化会导致电磁波的反射。后向散射的电磁波被接收天线接收，然后在接收机中进行采样和处理，如图4所示。

图4 次表层探测雷达回波Fig.4 Sub-surface radar echo

2.2 科学探测任务指标计算方法

2.2.1 厚度分辨率

厚度分辨率是对于地层厚度的分辨能力，是电磁波在介质中的距离分辨能力，计算公式如下：

(3)

其中，c为光速，B为发射信号的带宽，εr表示介质的相对介电常数，K是为了减小距离副瓣进行加权处理的权值函数而造成的分辨率损失因子。

2.2.2 顺轨分辨率

顺轨分辨率(方位分辨率)主要通过合成孔径技术，增加方位积累时间来提高多普勒分辨来实现。通常采用聚焦算法时，系统的顺轨分辨率可根据下式计算如下：

(4)

其中，h为平台高度，λ为波长，Ls为合成孔径长度。在行星表面探测雷达中，通常假设相关的地面散射区域为第一菲涅尔带，因此，合成孔径长度通常表示为如下：

(5)

2.2.3 交轨分辨率

在交轨方向上，由于无相对运动，地面上的散射点没有多普勒信息，而无法进行多普勒处理。对于平滑表面，交轨分辨率假设等于第一菲涅尔带直径。对于粗糙表面，交轨分辨率通常被近似为第一脉冲受限单元。具体为如下：

(6)

各参数含义同前。

2.2.4 信噪比

次表层探测雷达信噪比公式为如下：

(7)

进一步可以用重频PRF、合成孔径长度Ls以及速度Vt来表达Gr，有如下方法：

(8)

其中，PRI=1/PRF是脉冲重复间隔。定义雷达的占空比如下，

(9)

因此，综合以上各式，次表层探测雷达的信噪比公式如下：

(10)

以MARSIS和SHARAD的系统参数为例，其信噪比估算结果见表1，其中经计算，厚度分辨率Δhmin为13.24 cm，交轨分辨率ρact为2.24 m。

表1 MARSIS和SHARAD系统的信噪比估算Tab.1 SNR estimation of MARSIS and SHARAD

2.2.5 探测深度

根据次表层探测雷达原理，对于探测深度能力与地质分层结构以及介质的散射特性密切相关，如图5所示，假定火星地表物质为介质2，具有d的厚度，在介质2下有介质3。在介质2和介质3之间的介电常数差异，将导致两层分界面的回波返回，次表层雷达接收该回波进行处理分析。

图5 地下分层结构示意图Fig.5 Unde-surface layer stucture

假定第i层星下点的反射系数为Γi，则有如下方法：

(11)

(12)

其中，α(ξ)是衰减因子，ε1，ε2，ε3分别为不同层物质的相对介电常数。进一步结合信噪比公式，以及系统所需的检测因子，可以计算得到最大的探测深度。

2.3 环绕器次表层探测雷达系统设计中的关键问题

环绕器次表层探测雷达如图6所示，是将探地雷达搬移到火星环绕器上，实现对火星的表面和内部结构的岩性、电磁参数及主要组成成份进行探测。实际上，为了能够成功地实现探测任务，次表层探测雷达系统必须获得足够的方位分辨率，深度分辨率，信噪比(SNR)以及信杂比(SCR)[6]。

图6 环绕器次表层探测雷达杂波分析图Fig.6 Sub-surface radar clutter analyse

次表层探测雷达系统在火星环绕器上，工作的轨道高度为几百公里，要实现对火星地质结构的成像的目标，就需要实现电磁波最好的渗透。由于距离远，地表下物质电磁波衰减比较严重。一般来说，低频段的穿透能力比高频段的穿透能力强。因此，在环绕器平台条件限制(发射机峰值功率)情况下，采用较高的占空比和较低工作频段来获得足够的信噪比。

在环绕器次表层探测系统中，杂波是指来自非探测目标区域(天底洞区域)的反射信号。当杂波和目标回波在同一个采样时间窗口，并且具有相同的谱特征时，杂波就和目标回波混在一起难以区分。

实际上，杂波主要影响次表层探测雷达对于地表下回波的探测。由于地表下回波经过反射、透射及衰减效应，回波强度弱，地表杂波信号可能将地表下的回波信号掩盖，使得探测失效。实际上，距离压缩造成的副瓣可能掩盖次表层的回波，而好的顺轨分辨率可以限制非天底洞的散射回波。因此，为了增强在强的地面杂波下对地表下弱回波的探测，需要实现低的距离压缩的副瓣以及高的顺轨分辨率，如图7所示。

图7 利用多普勒信息提高顺轨分辨Fig.7 Doppler along track indentification

地表面目标点从进入到走出雷达波束的照射范围过程，留下了从正到负变化的多普勒频率形成的带宽，利用该多普勒带宽信息可提高方位向分辨率。

3 火星环绕器次表层探测雷达发展趋势

在研制MARSIS和SHARAD系统获得的经验的基础上，未来次表层探测雷达的发展趋势有以下几点：

1)多频率组合探测。在较低的工作频率下，获得好的穿透性能，实现更深的探测深度；在较高的工作频率，获得更好的分辨率。

2)优化的天线系统。突破折叠及展开的技术，在同样的折叠及存储空间条件下，研制更加复杂，孔径更大的天线来获得更好的指向性和增益。

3)星上实时处理。例如距离和方位压缩将被要求在星上完成，以此减小数据存储及传输率。远距离传输的数据率限制的可负担性在星球外太空探测任务中已经成为一个重要因素。

4)简单的、全数字化的无线电射频的结构可以使得数据更加逼真。更加灵活地自适应地处理和数据压缩将用来保证高的数据质量，同时将下传的数据量最小化。

[1]Croci R, Seu R, Flamini E et al. The SHAllow RADar(SHARAD) onboard the NASA MRO mission[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(5): 794-807.

[2]Restano M, Mastrogiuseppe M, Masdea A, et al. Shallow radar (SHARAD) investigations over Sinus Meridiani [C]//IGARSS 2012. 2012: 3206-3209.

[3]Campbell B A, Putzig N E, Phillips R J, et al. Autofocus correction of phase distortion effects on SHARAD echoes [J]. IEEE GRS Letters, 2011, 8(5): 939-942.

[4]Egan A, Putzig N, Phillips R. Web GIS and other applications for MRO: SHARAD science operations[C]//SpaceOps 2010 Conference. 2010: 1-5.

[5]Campbell B A, Putzig N E, Foss F J, et al. SHARAD signal attenuation and delay offsets due to the Martian ionosphere [J]. IEEE GRS Letters, 2014, 11(3): 632-635.

[6]许小剑, 黄培康. 雷达系统及其信息处理[M]. 北京：电子工业出版社, 2010.

Development Review on the Mars Orbiter Subsurface Sounding Radar

ZHANG Hongbo

(Naval Aeronautical Engineering Application Institute，Being 100071, China)

The subsurface sounding radar on Mars orbiter can detect the subsurface structure of the Mars surface with a high resolution, which provides the scientific data to the research on the Mars geologic structure. In view of the target media layered detection problem，the subsurface sounding radar on Mars orbiter is proposed. The detail analysis of the present development status, detection principle, index calculation method and key technology are introduced，and the developing trend of the subsurface sounding radar on Mars orbiter are stated as well.

Mars orbiter; subsurface sounding radar; developing trend

2016-03-16

张洪波(1967—)，女，北京人，高级工程师，研究方向：雷达信号处理、质量控制和信息化及法规标准化。E-mail: zhanghb32@163.com。

TN955； TP391.9

A

1008-1194(2016)06-0057-05