基于高阶微扰法的火星多层结构散射建模与参数反演

The Martian surface geological structure is considered as a multilayer rough structure. The analytical method is faster than the numerical simulation in computing the multilayer rough surface scattering. Hence, this project plan to employ HOSPM (high order small perturbation method) to simulate scattering from three-dimensional(3D) multilayer rough surface scattering, develop the radar echo under the LFM (linear frequency modulation) signal incidence by the scattering result, and use improved parameter inverse method to estimate parameters including.permittivity, layer distances, and roughness of each surface. A set of research methods to simulate radar echo from Martian surface and its inversion process will be developed based on the 3D MHOSPM (multilayer HOSPM) as the final result in this project. This research will provide methodology and tools for detecting Mars topography, as well as exploring available source in the future.

火星表面地质结构可看成多层粗糙面的形式。模拟方法在求解多层粗糙面的散射方面相比数值方法更有优势，本项目拟使用高阶微扰法（high order SPM，HOSPM）模拟三维多层粗糙面结构的散射，结合散射场模拟线性调频波入射下的雷达探测回波，使用改进的参数反演法估计火星表面介电常数、粗糙面间距及粗糙度等参数，最终建立一整套基于三维多层HOSPM（3D multilayer HOSPM，3D MHOSPM）的火星表面雷达回波快速模拟及参数反演的研究方法。申请人已建立并模拟一维理想导体粗糙面散射的HOSPM，可得到任意阶散射场表达式，具有较高的精度和计算效率，为3D MHOSPM的建立打下良好基础。本研究将为探索火星地形地貌，探测火星上存在的可利用资源等计划提供必备的研究手段。

火星探测是世界各航天大国继月球探测热潮之后的又一个深空探测热点。迄今为止，美国和欧洲等共发起40多次火星探测计划。中国计划于2020年发射火星探测器，2021年实现火星软着陆，开展火星环绕探测和巡视探测。.本项目建立了可以展开为任意阶的高阶微扰法（high-order small perturbation method，HOSPM），并将HOSPM应用于导体粗糙面的散射仿真。大多数针对SPM的研究都只能提供阶数有限的解，因为当阶数增加时，积分的维数也增加，所以高阶形式会带来更复杂的数学形式，更难用编程实现。本研究提出的HOSPM具有任意阶的级数展开，理论上的最高阶可以到无穷阶。.数值仿真结果证明HOSPM具有高精度、高效率、适用于较广类型粗糙表面和应用频带宽的特点。.相关成果包括SCI期刊文章2篇、中文专著1部、中国发明专利3项和会议报告2项。..火星表面地质结构可以看成是多层粗糙面的形式，对其进行理论建模和反演研究具有重要的科学意义。火星表面电磁散射建模研究与地球表面的研究差别不大，可采用数值方法，也可采用解析方法，具体方法按探测频率和探测要求来决定。本课题采用HOSPM对火星分层结构进行理论建模和数值模拟，之后进一步反演估计火星分层结构参数、表面粗糙度和介电常数等信息。根据反演信息和已有的探测结果，确定微波遥感器的技术指标与可行性方案，开展星载微波遥感对火星表面的多极化、多方位观测，最终构造火星真实的物理图景。