何志平，王建宇，舒 嶸

月球資源人機(jī)聯(lián)合多尺度紅外光譜成像探測概念研究

何志平，王建宇，舒 嶸

（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083）

面向載人登月以及月球基地建設(shè)的潛在應(yīng)用需求，在調(diào)研分析國內(nèi)外月面資源探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展月球資源多尺度人機(jī)聯(lián)合紅外光譜成像探測概念研究。從星載遙感、實(shí)地勘察、現(xiàn)場分析三個(gè)方面，提出廣義人機(jī)聯(lián)合模式下的載人登月選址普查、詳查、定點(diǎn)監(jiān)測，人機(jī)聯(lián)合巡視、手持及可穿戴式現(xiàn)場實(shí)地探測及勘察，現(xiàn)場采樣及分析完成樣品的細(xì)分與篩選等關(guān)鍵研究構(gòu)想。

月球探測；紅外光譜；人機(jī)聯(lián)合；光譜成像；多尺度探測

Abstract： To satisfy the potential needs of manned lunar-landing and the lunar base construction，the conceptual research on multi-scale infrared spectral imaging technology for lunar resources exploration based on crew-robot coordination was carried out on the basis of investigation and analysis of lunar surface exploration technologies at home and abroad.General investigation，detailed investigation and fix-point monitoring on manned lunar-landing site in generalized crew-robot coordination mode， as well as the joint crew-robot roving， handheld and wearable in-situ detection were proposed from the respects of satellite remote sensing， field investigation and in-situ analysis.In addition， the key research concepts such as the in-situ sampling and analyzing，as well as the sample screening and categorizing were also put forward.

Key words：lunar exploration； infrared spectrum； crew-robot coordination； spectral imaging； multiscaledetection

1 引言

月球是距離地球最近的天體，也是環(huán)繞地球的唯一天然衛(wèi)星，其獨(dú)特的空間位置和潛在資源，成為人類開展深空探測的起點(diǎn)和基礎(chǔ)［1-2］。20世紀(jì)50年代末，美、蘇開啟了第一次月球探測高潮，取得了包括遙感及著陸原位探測、載人登月及采樣返回等一系列突破性的進(jìn)展。在這一階段，人類對月球的形狀、大小、近地空間環(huán)境、月球軌道參數(shù)、月球表面構(gòu)造與特征、月球的巖石類型與化學(xué)成分組成、月球的資源與能源、月球內(nèi)部構(gòu)造與演化歷史等方面開展研究，獲得了新的認(rèn)識(shí)［3］。

月球探測一般可分為無人月球探測、載人登月與建設(shè)月球基地三階段。目前為止，只有美國成功完成載人登月任務(wù)。各航天大國制定的載人月球探測和月球基地建設(shè)計(jì)劃，最終目標(biāo)均定為構(gòu)建有人的永久性月球基地。我國無人月球探測按照“繞”、“落”、“回”三步走的總體部署，已實(shí)現(xiàn)了環(huán)月衛(wèi)星探測及月面軟著陸探測與月球車勘察，預(yù)計(jì)2020年前可完成采樣返回的預(yù)定目標(biāo)［4］?；谠虑蛱綔y及載人航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我國在基本完成無人月球探測任務(wù)后，將擇期開展載人登月和月球基地建設(shè)計(jì)劃。

月球資源的探測與評估手段和技術(shù)方法，可分為地基觀測、星載遙感、實(shí)地勘察三種類別［5-6］。地基觀測為人類認(rèn)識(shí)月球提供了初步的、感官的、定性的表面形貌數(shù)據(jù)；星載遙感完成月面地形地貌，以及月球表面礦物的種類、成分及豐度的數(shù)據(jù)探測，形成月表地質(zhì)填圖、月表環(huán)境建模與分析等成果；實(shí)地勘察是月球資源探測最直接、最精確的探測手段，主要包括探測器著陸探測、無人自主采樣返回探測、載人登月人機(jī)聯(lián)合探測等三種實(shí)施途徑。針對載人月球活動(dòng)及月球基地建設(shè)的任務(wù)目標(biāo)，國外已開展內(nèi)容涵蓋月球探測、載人登月和月球基地建設(shè)等相關(guān)預(yù)研工作，但未見系統(tǒng)化的相關(guān)人機(jī)聯(lián)合探測技術(shù)研究報(bào)道［5-7］。

本世紀(jì)以來幾乎所有的月球探測器均搭載有光譜類載荷，如表1所示。圖1為Chandrayaan-1軌道器月球礦物繪圖儀所獲成像光譜探測數(shù)據(jù)［8］，圖2為CE-3巡視器紅外成像光譜儀探測數(shù)據(jù)［9-10］。通過光譜儀器獲取月表目標(biāo)的光譜及幾何特征，可實(shí)現(xiàn)月面資源探測與識(shí)別、月面特殊環(huán)境條件的調(diào)查及利用的探測目標(biāo)，但未見人機(jī)聯(lián)合紅外光譜成像探測相關(guān)的研究報(bào)道。

本文基于載人登月及月球基地建設(shè)的遠(yuǎn)景目標(biāo)需求，面向人機(jī)聯(lián)合探測應(yīng)用模式，提出月球多尺度人機(jī)聯(lián)合紅外光譜成像探測概念。

表1 月球探測主要光譜載荷［7-10］Table 1 Major spectral payloads on lunar exploration［7-10］

圖1 月球礦物繪圖儀成像光譜探測數(shù)據(jù)［8］Fig.1 Spectral imaging detection data obtained by M［8］

圖2 紅外成像光譜儀探測數(shù)據(jù)［9-10］Fig.2 Detection data of VNIS［9-10］

2 月球多尺度人機(jī)聯(lián)合光譜成像探測概念設(shè)計(jì)

載人登月以及月球基地建設(shè)必須解決選址問題，通常從戰(zhàn)略目標(biāo)、科學(xué)目標(biāo)、操作約束和資源開發(fā)等四方面進(jìn)行綜合考慮。月球上特有的資源是載人月球活動(dòng)的重要物質(zhì)支撐，也是對地球資源的潛在補(bǔ)充和儲(chǔ)備。

光譜成像儀器以高光譜分辨率獲取地物反射的太陽輻射或其自身輻射，可同時(shí)獲取月面目標(biāo)的幾何及光譜特性。因此，光譜成像技術(shù)可以從空間匹配和光譜匹配兩個(gè)方面對觀測目標(biāo)進(jìn)行分析和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對月面地形地貌，月壤、月巖、月塵等礦物的種類、成分及豐度，溫度、光照等資源的探測，可以滿足載人登月應(yīng)用需求下的月面資源精細(xì)化探測及利用需求。另外，熱紅外光譜圖像能夠?qū)υ虑虮砻鏈囟群蜔岘h(huán)境的空間格局及其變化特征進(jìn)行比較客觀、有效的監(jiān)測，在月表熱環(huán)境探測中具有重要價(jià)值。

面向載人登月以及月球基地建設(shè)目標(biāo)需求，針對月球資源探測及原位利用，本文提出一種多尺度人機(jī)聯(lián)合紅外光譜成像探測概念，其方案框圖如圖3所示，包括星載遙感、實(shí)地勘察、現(xiàn)場分析三個(gè)方面。

圖3 多尺度人機(jī)聯(lián)合光譜成像探測概念設(shè)計(jì)Fig.3 Concept design of multi-scale infrared spectral imaging detection based on crew-robot coordination

1）星載遙感

基于軌道器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)宏觀尺度（m～km量級(jí)空間尺度）全月球遙感光譜成像探測，為載人登月、月球基地建設(shè)地址選擇，以及資源調(diào)查提供科學(xué)數(shù)據(jù)。具體為兩個(gè)方面：分析現(xiàn)有國內(nèi)外月球成像光譜覆蓋數(shù)據(jù)，結(jié)合其他遙感技術(shù)的探測成果，全月球普查完成載人登月地址初步選取；根據(jù)登月地址資源及環(huán)境需求，發(fā)射軌道器對初選登月地址及其附近探測區(qū)域進(jìn)行詳查探測及定點(diǎn)監(jiān)測，完成目標(biāo)區(qū)域礦物、水等資源勘探及溫度、光照環(huán)境等調(diào)查任務(wù)。

2）實(shí)地勘察

基于著陸器及巡視器平臺(tái)，研制光譜成像儀實(shí)現(xiàn)宏觀高分辨率尺度（mm～m量級(jí)空間尺度）月球目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)場勘察的應(yīng)用目標(biāo)，特別針對陰影區(qū)采用主動(dòng)照明光譜成像儀進(jìn)行探測；另一方面，結(jié)合航天員活動(dòng)，配備主動(dòng)光源的手持或頭盔式光譜儀，人機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的非接觸式原位探測。

3）現(xiàn)場分析

基于星載遙感及實(shí)地勘查，由航天員現(xiàn)場采樣，實(shí)現(xiàn)微觀尺度（μm～mm量級(jí)空間尺度）樣品現(xiàn)場分析，完成樣品的細(xì)分與篩選工作，為持續(xù)載人登月以及月球基地建設(shè)的月面資源原位探測乃至全方位利用提供參考。

3 星載遙感光譜圖像勘查方案設(shè)計(jì)

利用現(xiàn)有Chandrayaan-1月球礦物繪圖儀等國內(nèi)外月球成像光譜覆蓋數(shù)據(jù)［11］，根據(jù)載人登月任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)、操作約束（地形地貌、可達(dá)性、熱環(huán)境、光照、通訊等）、資源開發(fā)等選址約束條件，調(diào)查區(qū)域礦物、水等資源及溫度、光照環(huán)境，在全月球范圍內(nèi)普查實(shí)現(xiàn)初步選取載人登月地址的目的。圖4為利用Chandrayaan-1月球礦物繪圖儀成像光譜探測數(shù)據(jù)處理獲得的月球礦產(chǎn)、含水區(qū)域及溫度分布圖，可為載人登月選址提供參考［11］。

基于軌道器平臺(tái)，根據(jù)載人登月任務(wù)選址具體資源及環(huán)境調(diào)查的需求，發(fā)射軌道器配備專用譜段成像光譜儀，對初選登月地址及其附近探測區(qū)域進(jìn)行詳查探測及定點(diǎn)監(jiān)測，完成目標(biāo)區(qū)域礦物、水等資源勘探及溫度、光照環(huán)境等調(diào)查任務(wù)。

如圖5所示，采用二維指向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)廣角目標(biāo)高靈敏度的特征譜段光譜成像，以及對大范圍初選登月地址及其附近探測區(qū)域的詳細(xì)調(diào)查。

如圖6所示，采用二維指向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)區(qū)域多角度高光譜成像觀測，對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域空間、光譜、時(shí)間多維數(shù)據(jù)獲取，對登月地址及其附近探測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)監(jiān)測調(diào)查。

圖4 月球礦產(chǎn)、含水區(qū)域及溫度分布圖Fig.4 Distribution of minerals，watery region and temperature on the moon

圖5 初選登月地址及其附近探測區(qū)域詳查示意Fig.5 Schematic diagram of detailed survey on preliminarily selected lunar landing site and its nearby detection zone

圖6 登月地址及其附近探測區(qū)域定點(diǎn)監(jiān)測示意Fig.6 Schematic diagram of fixed point monitoring on lunar landing site and its nearby detection zone

4 實(shí)地勘察技術(shù)方案設(shè)計(jì)

資源的開發(fā)與利用是進(jìn)行載人月球探測的重要目的之一。根據(jù)目前的資料顯示，月球礦物富含鈦、鐵、釷、鈾、稀土元素等物質(zhì)［3］。 月球資源不但是分析月球成分，開展科學(xué)研究的重要樣本，還可以作為原料，開展月面的資源利用，生產(chǎn)維持月球持續(xù)發(fā)展的必需品，如氫、氧等。此外，相關(guān)資料證實(shí)月球上存在水冰資源，這對于人類月球長期生存和發(fā)展具有重要價(jià)值［5］。現(xiàn)場實(shí)地勘察是月球資源探測最直接、最精確的探測手段，主要具有二種實(shí)施途徑：一是探測器著陸及巡視探測，二是載人登月人機(jī)聯(lián)合探測。

著陸器著陸及巡視探測基于著陸器及巡視器平臺(tái)，研制光譜成像儀實(shí)現(xiàn)宏觀高分辨率尺度（mm～m量級(jí)空間尺度）月球目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)場勘察的應(yīng)用目標(biāo)。針對月球的實(shí)地勘察探測活動(dòng)，前蘇聯(lián)在上個(gè)世紀(jì)70年代成功完成了2次無人月球車巡視勘察，如1970年的“月行者1號(hào)”無人月球車，在月面進(jìn)行了土壤物理特性的科學(xué)探測及化學(xué)成分分析，拍攝了很多月面照片［6］。我國嫦娥三號(hào)巡視器載紅外成像光譜儀也是一種實(shí)地勘察的典型應(yīng)用。紅外成像光譜儀用于巡視區(qū)月表紅外光譜分析和成像探測，為巡視區(qū)月表礦物組成和分布的分析以及巡視區(qū)能源和礦產(chǎn)資源的綜合研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)［9-10］。

如圖7所示，紅外成像光譜儀具備可見近紅外譜段（0.45～0.95 μm）的光譜成像及短波紅外譜段（0.9～2.4 μm）的光譜探測功能，它基于月球巡視器靜止平臺(tái)，在巡視器停止時(shí)，在0.69 m的高度以45°視角對巡視區(qū)月表目標(biāo)進(jìn)行就位光譜成像探測，實(shí)現(xiàn)無人現(xiàn)場實(shí)地勘察。

圖7 嫦娥三號(hào)巡視器載紅外成像光譜儀探測示意Fig.7 Detection diagram of VNIS aboard the Chang’e-3 rover

月面資源現(xiàn)場實(shí)地勘察通常是人機(jī)聯(lián)合作業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)，是進(jìn)行月球資源開發(fā)與利用的前提條件，通過資源勘察作業(yè)了解資源的種類和分布，以便進(jìn)行針對性樣品采集和資源獲?。?］。美國阿波羅載人登月任務(wù)中，通過探測器、月球車、航天員、科學(xué)探測儀器、手持式采樣作業(yè)機(jī)具等組成了載人登月模式下典型的“人器機(jī)環(huán)境”系統(tǒng)，形成了月面人機(jī)聯(lián)合探測概念的雛形［6］。由于有了航天員的現(xiàn)場決策，由航天員手持或由月球車運(yùn)載，在目標(biāo)點(diǎn)布置科學(xué)探測儀器，相比于無人自主探測，能夠開展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)更為豐富。如圖8所示，根據(jù)載人登月任務(wù)的具體科學(xué)目標(biāo)及資源、環(huán)境調(diào)查需求，載人登月人機(jī)聯(lián)合探測設(shè)計(jì)基于配備車載、便攜式及可穿戴式的專用譜段主動(dòng)照明成像光譜儀，從而可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域特別是陰影區(qū)的非接觸式原位探測，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)地勘察的目的。

圖8 人機(jī)聯(lián)合月面資源勘探技術(shù)方案示意Fig.8 Schematic diagram of lunar resource exploration based on crew-robot coordinated

5 現(xiàn)場分析方案設(shè)計(jì)

蘇聯(lián)在上個(gè)世紀(jì)70年代成功完成了3次月球無人自主采樣返回工作。1970—1976年間，蘇聯(lián)成功發(fā)射了Luna16、Luna20、Luna24無人自主鉆取采樣探測器，通過鉆取的方式成功從月球采回月壤剖面樣本共計(jì)約 320 g［6］。 1969—1972年，美國成功實(shí)施了6次載人登月活動(dòng)，開展了月面資源的人機(jī)聯(lián)合探測和樣本采集，帶回了約380 kg 月球樣本［6］。

相比于蘇聯(lián)的無人鉆取采樣，美國航天員獲取的樣本類型和形態(tài)更為多樣、樣本采集前后的環(huán)境支持信息獲取更為充分，為返回地球后開展詳實(shí)的科學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，上世紀(jì)美、俄未開展真正意義上的樣品月面現(xiàn)場分析及原位利用工作。

基于星載遙感及實(shí)地勘查，本文提出由航天員現(xiàn)場采樣，通過現(xiàn)場分析儀器實(shí)現(xiàn)微觀尺度（μm～mm量級(jí)空間尺度）樣品現(xiàn)場分析，完成樣品的細(xì)分與篩選工作，為月面資源原位利用及高效采樣返回利用提供參考，如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場分析及樣品細(xì)分、篩選示意Fig.9 Schematic diagram of in-situ analysis，sample screening and categorizing

6 結(jié)論

面向人機(jī)聯(lián)合探測應(yīng)用模式，基于軌道器平臺(tái)的宏觀尺度（m～km量級(jí)）全月球遙感光譜成像探測、結(jié)合著陸器及巡視器平臺(tái)的宏觀高分辨率尺度（mm～m量級(jí)）月球目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)場勘察、以及微觀尺度（μm～mm量級(jí)）樣品現(xiàn)場分析形成了月球多尺度人機(jī)聯(lián)合紅外光譜成像探測概念設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可為月面資源探測與識(shí)別、月面特殊環(huán)境條件的調(diào)查及利用、月面資源的勘察與利用等方面提供借鑒，為載人登月開展有針對性的月球資源探測提供依據(jù)，為我國載人登月以及月球基地的建設(shè)規(guī)劃提供參考。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

Conceptual Research on Multi-scale Infrared Spectral Imaging Technology in Lunar Resources Exploration Based on Crew-robot Coordination

HE Zhiping， WANG Jianyu， SHU Rong
（ Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics， Technology，Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China）

V476.3

A

1674-5825（2017）05-0597-05

2016-08-15；

2017-08-07

國家自然科學(xué)基金（21105109）

何志平，男，博士，研究員，研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)及光電探測技術(shù)。E-mail：hzping＠m(xù)ail.sitp.ac.cn