探月雷达方法与多参数反演研究

Lunar radar method is an important method in lunar subsurface medium detection, which use the electromagnetic wave with frequency range between 1MHz-10GHz to sound the discontinue layer in soil and rock. This method can be applied by satellite detection and surface detection. We will summarize the results conducted by former researchers, and build the 3D stochastic medium models, and then calculate the response of the models which can be shown optimistic parameter for the radar system. Also, the full-wave inversion and stochastic inversion algorithms will be developed and applied to obtain discontinue layer and components. The multi-domain FDTD algorithm will be used to simulate the satellite lunar radar and surface lunar radar detection, the results can be applied to calibrate and correct the satellite lunar radar data, and which can be improve the interpretation and evaluate the recourse. This project will provide new theory and technique for lunar and deep-space detection based on the radar method.

探月雷达是一个重要的月球探测方法，理论基础都是利用频率在1MHz—10GHz之间的电磁波进行探测，不仅能够实现月表巡视探测，同时也能实现轨道卫星探测。通过对前人研究成果总结，在随机等效介质的理论基础上，建立符合月球浅表实际情况的三维介质模型，通过大型模型的电磁响应计算，获得月表介质不同条件下电磁响应的变化规律，进而分析电磁的极化方式的响应特征，提高探测的效果。研究基于全波反演和随机反演算法，利用探月雷达数据反演月球浅表界面特征、岩石组分。在多域计算方法基础上，将轨道探月雷达数据和月表探月雷达数据有机结合起来，通过月表高精度、高分辨率探测信号对轨道雷达数据进行标定和校正，实现月表多尺度探月数据的解释和资源评价。通过项目的研究，对探月雷达的理论成果进行总结，也为进一步的探月和深空探测提供重要的方法技术。

探月雷达是嫦娥3号、嫦娥4号的月球巡视器上最重要的载荷之一，对月表进行实地登陆的高频电磁探测方式，高分辨率地探测月球次表层地质结构与月壤厚度，提供月壤和月岩丰富信息，为研究月壤成因演化以及未来选取月球基地位置提供科学和工程依据。本项目建立月壤综合模型，完善了探月雷达数据处理解释基础，开展月壤参数和特定组分分析和反演研究，在估计浅月表地质结构的基础上，实现浅月表目标介质结构和属性探测，提供了完整探月雷达解释技术。.通过项目研究，在月壤随机介质综合模型基础上，开展了关于探月雷达数据处理解释技术和月壤电性参数分析方法的研究，实现了月壤电性参数组分定量分析和模型反演研究，进行了浅月表地质结构划分和岩块定位，具体包括：1）根据介电常数随深度的变化，建立了带地形和异常体的月壤随机介质模型，利用随机函数获得不同月壤颗粒粗糙度和存在随机陨石的模型，更真实地反映月壤结构，获得更多正演信号细节，有助于利用探月雷达数据解释月壤形成和演化；2）形成了探月雷达数据处理解释技术系统，建立从数据校正、干扰消除、多次波消除到界面信号提取与识别的处理系统；建立从目视解释到反演成像解释的方法体系，得到清晰的探月雷达图像，并能进一步突出月壤月岩分界面，划分月壤层位，对月壤中的陨石、岩石进行定位和定量分析；3）实现月壤介质电性参数和组分估计，基于两组偏移距不同的探月雷达数据提出了用于估计月壤介电常数的新方法，估算月壤铁钛含量，根据嫦娥3号的探月雷达数据，获得登陆区的FeO和TiO2的含量为14％左右。建立基于随机反演方法，丰富了数据反演方法。研究成果可以反馈到其它科学和工程领域，例如浅地表目标属性分析，极地冰川探测，探地雷达探测等方面。.结合探地雷达方法特点，设计了一套基于压缩感知的超宽带（UWB）多输入输出（MIMO）探地雷达系统，为未来嫦娥5号、火星探测的数据处理与解释提供重要手段和解释方法。