探月雷达方法技术研究及嫦娥三号雷达数据解释

发布时间：2020-06-01 13:33

【摘要】：我国“嫦娥三号”(Chang'e 3,CE-3)和“嫦娥四号”(Chang'e 4,CE-4)搭载的探月雷达(Lunar Penetrating Radar,LPR)是一种装载在月球巡视器上对月表进行实地登陆观测的探测方式。其理论基础是利用天线向探测目标发射高频电磁波(1MHz~10GHz)进行探测,可以高分辨率地探测月球次表层地质结构与月壤厚度。根据探月雷达测量的数据,可以实现以下科学和工程研究目标:获得沿巡视器路径的月壤的厚度分布,并可以通过反演描述月壤和月球浅层岩石的电磁参数,为月壤层矿产资源的估算提供依据;更好地了解月球地形特征与地质构造的关系,为月球地形和地质研究提供科学数据;为详细研究月球的形成和演化提供科学依据;为未来选取月球基地的位置提供必要的科学数据。本文针对月壤层的模型建立,电磁响应模拟,探月雷达数据预处理,月壤参数估计,近月表地质解释等方面进行研究。开展了月球浅表层介质的建模及其电磁响应计算与分析,为探月雷达探测机制和数据解释提供方法技术支撑;研发了嫦娥三号探月雷达数据的解算、校正和初步处理的完整流程,对雷达数据中的反射信号进行分析;设计实现了月壤、月岩物理参数的高精度估计、反演和分析,量化潜在可开发的月球资源,帮助分析资源分布规律;解释了近月表地质界面,有利于确定界面的地质意义和介质组成,为加深对浅月表层的形成演化认识提供基础,也为进一步的月球以及深空探测提供支持。(1)建立了月壤综合模型。通过将分形技术应用于地形建模,准确地描述了小区域的月球地形,引入磨粒技术来模拟不规则的异常体,应用随机等效介质描述随机介质。同时也考虑了介电常数随深度的变化。月壤综合模型的建立加深了对月壤形成和演化的认识。根据时间域有限差分法对建立的月壤综合模型进行电磁响应模拟。与简单模型的仿真结果相比,月壤综合模型的仿真结果包含更多细节,更加真实。(2)处理了嫦娥三号探月雷达数据。介绍嫦娥三号着落点的区域信息,研究我国探月工程所采集的探月雷达数据体,结合在月球表面采集数据的复杂环境以及雷达仪器本身的影响,分别针对第一通道(CH-1,60MHz)和第二通道(CH-2,500MHz)进行处理流程设计,研究包括带通滤波以及增益等常规方法在内的处理方法对探月雷达数据处理的效果,最后得到了清晰的探月雷达图像并分析了数据存在的问题。(3)研究了嫦娥三号着陆区月壤层的结构和演变过程。根据正演模拟的结果,探讨了月壤与基岩接触面的形态。随后,利用F-K(频率-波数)滤波突出了月壤和基岩的接触面。根据探月雷达第二通道数据能量的分布对着陆区月壤层进行分层。通过综合考虑月球的演变历史,区域地质情况,特别是探月雷达数据结果,推断了嫦娥三号着陆区月壤层的演变过程。(4)估计了月壤的电性参数和铁钛含量。从理论上证明了跟据两组收发距不同的雷达数据,利用两者对同一个异常体反射时间的不同,从而推断介质介电常数的方法具有可行性。针对一个简单模型和一个月壤复杂模型,利用该参数估计方法,反推出各异常体的位置和模型的介质参数,得到结果与实际模型一致。利用探月雷达第二通道的两套收发距不同的数据,得到了嫦娥三号着陆点月壤的介电常数。Apollo计划的成果给出,介电常数与月壤的密度和铁钛含量存在内在联系,结合估计得到的月壤介电常数,可以估算得到月壤的铁钛含量。(5)定量分析了月壤中孤石的位置和数量。提出了一种基于局部相似性约束的自适应石块定位方法,该方法利用到了探月雷达第二通道两套数据之间的相似性。该方法的实现首先采用基于f-x EMD的倾角滤波器来提取两个数据中含有信号的波数分量。然后,计算滤波后的两套数据之间的局部相似谱。通过利用软阈值函数,认为相似谱中的局部最大值可作为每个孤石的位置。最后,根据提取结果,一方面获得了月壤的深度,另一方面也揭示了月壤中孤石随路径和深度变化的分布信息。进一步为嫦娥五号月壤采集提供了先验方法。(6)分析了嫦娥三号着陆点浅月表地质结构。嫦娥三号第一通道数据探测到了虹湾地区的浅表层地质结构。由于数据信噪比较小,为了解决噪声的限制,本文提出了一种基于shearlet变换的去噪策略。在该策略中,shearlet变换不仅是一种数据分析的工具,还可以提高CH-1数据的信噪比并突出同相轴。处理后质量提高的CH-1数据有助于地质分层和解释。在分别获得浅部和深部的处理数据之后,跟踪处理结果中的同相轴,得12个可能的分界面。在评估每个同相轴后,根据可靠性对每个同相轴进行判断和分类。利用探月雷达数据分析浅月表地质结构提供了有价值的地质信息,并为未来的月球探测任务提供了参考。
【图文】：

嫦娥,科学仪器,着陆器,探测器

2013 年 12 月 2 日，“嫦娥三号”（CE-3）在中国西昌卫星发射中心成功发射，成为我国第一个实现月球软着陆的登月探测器。2013 年 12 月 14 日，“嫦娥三号”在雨海西北部（19.51°W，44.12°N）成功着陆，标志着自 1976 年前苏联探测器 Luna 24在危海登陆以来，人造航天器首次返回月球表面[80]。此前，两个轨道探测器“嫦娥一号”（CE-1）和“嫦娥二号”（CE-2）作为中国月球探测计划（CLEP）第一阶段和第二阶段的一部分，，分别于 2007 年和 2010 年成功发射。嫦娥三号任务作为中国月球探测计划的第二阶段，将在月球表面实现探测。嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器和月面巡视探测器（即玉兔号月球车）组成（图 2.1）。嫦娥三号科学目标包括：（1）着陆区及其附近的形态特征和地质构造调查；（2）对着陆区及其附近的矿物和化学成分进行综合分析；（3）月球内部结构综合探测；（4）地球到月球空间环境和月球表面环境探测以及以月球为基础的天文观测[81]。为实现上述探测目标，嫦娥三号任务共选择了八种仪器，包括着陆器上的降落相机（LCAM），地形地貌相机（TCAM），极紫外相机（EUVC）和月基光学望远镜（MUVT），以及巡视器上的全景相机（PCAM），粒子激发 X 射线谱仪（APXS），红外成像光谱仪（VNIS）和探月雷达（LPR）（图 2.1）。

示意图,探月,雷达,工作原理

吉林大学博士学位论文测量的数据，可以实现以下科学和工程研究目标：（1）获得巡视路线上月壤层的厚度分布，并为反演月壤和浅层岩石的电磁参数以及估算月壤层矿产资源提供依据；（2）更好地了解月球地形特征与地质构造的关系，为月球地形形态和地质研究提供科学依据；（3）为详细研究月球的形成和演变提供科学依据；（4）为未来确定月球基地的位置提供必要的科学依据。2.2 探月雷达原理及系统结构探月雷达是一种在时间域中利用电磁波进行成像的探测方法。工作原理如图 2.2所示。雷达将电磁脉冲信号发射到月球表面，脉冲信号传播到月壤层和月壳基岩中，当脉冲信号遇到不均匀的层位、介质分界面和异常岩石块时，将会有反射信号传回，并被雷达接收。当得到反射和散射信号后，通过数据处理、分析和反演，可以估计月壤层的厚度分布以及沿着巡视路径的月球次表面地质结构。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V476.3;V447.1

【相似文献】