劉 海 李鑒輝 孟 旭 周 斌 方廣有

①(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006)

②(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100094)

1 引言

火星是太陽系內(nèi)的類地行星之一，人類從20世紀(jì)60年代開始探索火星，關(guān)于火星次表層水冰/液態(tài)水等的探測仍是當(dāng)前國際深空探測與研究的熱點[1]。由于表面溫度遠(yuǎn)低于0 °C，且大氣稀薄[2]，因此當(dāng)前的火星表面環(huán)境不支持液態(tài)水的穩(wěn)定存在[3]。但火星兩極的巨大冰蓋、典型的地貌特征和礦物組成均表明火星表面曾經(jīng)存在大量液態(tài)水，這些曾經(jīng)存在的液態(tài)水可能以水冰的形式存在于地下次表層中[3–6]。探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR)作為一種探測次表層結(jié)構(gòu)和成分的有效工具，現(xiàn)階段已在月球探測領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[7–11]。中國首輛火星車“祝融號”于2021年5月22日在火星北半球的烏托邦平原開始巡視探索，截至2021年12月31日，累計行駛1400 m[12]。

作為科學(xué)荷載之一的火星車次表層穿透雷達(dá)(Mars Rover Penetrating Radar, RoPeR)采用線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)雷達(dá)體制，包含兩個不同中心頻率的通道，其中高頻通道使用一對兩兩組合的Vivaldi天線，可采集HH, HV,VH和VV4種不同極化通道的全極化雷達(dá)回波信號，工作頻率范圍為0.45～2.15 GHz[13]，探測深度范圍為3～10 m，垂直方向探測分辨率達(dá)厘米級。RoPeR的主要科學(xué)目標(biāo)之一是探測火星次表層中潛在的冰，并區(qū)分出干冰與水冰，與軌道器探測雷達(dá)相比，火星車搭載的次表層探測雷達(dá)不受大氣干擾，可與其他多種科學(xué)載荷協(xié)同工作，已經(jīng)在著陸點(烏托邦平原)獲取了大量的探測數(shù)據(jù)，為火星探測提供寶貴的科學(xué)資料[14]。

基于此，本文搭建了與“祝融號”火星車次表層探測雷達(dá)高頻通道相同的全極化雷達(dá)系統(tǒng)，之后在實驗室內(nèi)進(jìn)行了干冰和水冰的室內(nèi)類比探測試驗，并采用H ?α極化分解方法分析了干冰和水冰的極化散射特性。本文的試驗結(jié)果初步證明RoPeR具備探測和識別火星次表層中干冰與水冰的能力，可為火星實測雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析解譯提供參考。

2 RoPeR系統(tǒng)

天線系統(tǒng)是“祝融號”火星車次表層探測雷達(dá)的關(guān)鍵組成部分，其高頻通道包括兩組發(fā)射天線和接收天線，如圖1(a)所示，發(fā)射天線底部距地面345 mm，接收天線距地面306 mm，兩者水平距離為420 mm。發(fā)射天線和接收天線均由分別正交的4個Vivaldi天線組成，其目的是確保H和V兩個極化通道的天線相位中心一致，單個天線寬280 mm，高170 mm，如圖1(b)所示。

圖1 RoPeR天線布置與結(jié)構(gòu)圖

嫦娥三號和四號上搭載測月雷達(dá)(L u n a r Penetrating Radar, LPR)采用脈沖雷達(dá)體制，由雪崩三極管產(chǎn)生工作電壓約為300 V的脈沖信號激勵發(fā)射天線。與月球表面接近真空的大氣環(huán)境不同[15,16]，火星表面的大氣壓強(qiáng)約為1 kPa，電子器件在火星大氣環(huán)境下處于較高工作電壓時易產(chǎn)生低壓放電，造成絕緣介質(zhì)擊穿、信號功率下降和電子器件永久損壞等危害[17]。因此，為了避免過高的瞬時工作電壓，“祝融號”次表層探測雷達(dá)采用脈寬為4 ms的線性調(diào)頻信號作為發(fā)射源，發(fā)射功率為+27 dBm，接收靈敏度為–120 dBm，功耗為26.5 W[13]。

3 試驗設(shè)置

本文搭建了與火星次表層探測雷達(dá)高頻通道相似的雷達(dá)探測系統(tǒng)，并在實驗室內(nèi)進(jìn)行了干冰和水冰的雷達(dá)探測類比試驗。圖2為本文建立的步進(jìn)頻率極化雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由與RoPeR相同的Vivaldi天線陣列、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer, VNA)、直線模組以及PC控制單元等部件組成。VNA通過同軸傳輸線與發(fā)射天線與接收天線的端口相連，發(fā)射和采集電磁波信號，并通過切換同軸傳輸線與不同天線端口的連接實現(xiàn)不同極化方向的信號采集。PC端控制直線模組精準(zhǔn)移動天線位置，并同步控制VNA實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集和儲存。

圖2 干冰/水冰探測試驗布置圖

試驗使用的干冰樣品是在液氮冷卻的有壓容器內(nèi)，通過冷凝氣相二氧化碳制備的[18,19]。為模擬野外環(huán)境中水冰的凍結(jié)規(guī)律，減小冰內(nèi)氣泡對雷達(dá)反射信號的影響，本文的水冰樣品由煮沸的純水靜置于–17 °C的冰箱制作而成。試驗使用的干冰和水冰目標(biāo)如圖3所示，為避免樣品幾何形狀的不同對結(jié)果的影響，所使用干冰/水冰樣品具有相同的水平尺寸。試驗過程中冰樣品均放置在錐形泡沫平臺上，天線底部與冰面之間的間距為10 cm。天線間距為42 cm，測線垂直于冰樣的長邊布置(圖2)。測線掃描長度為75 cm，步進(jìn)間距為1 cm。VNA采樣頻率范圍為50 MHz至4 GHz，采樣點數(shù)為512，一條測線的數(shù)據(jù)采集時間僅38 s，可避免干冰升華與水冰融化對探測和成像結(jié)果造成影響。

圖3 干冰/水冰目標(biāo)及其尺寸

4 試驗結(jié)果與分析

采集數(shù)據(jù)后，采用相位中心校準(zhǔn)與極化校準(zhǔn)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[20,21]。為了抑制背景噪聲，突出目標(biāo)反射，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理步驟包括背景去除、帶通濾波和零時校正。預(yù)處理后干冰和水冰樣品的2維雷達(dá)探測圖像分別如圖4和圖5所示。兩個冰樣的頂部和底部反射可以很清楚地觀察到，但很難從視覺上區(qū)分兩者的雷達(dá)圖像特征。

圖4 干冰不同極化通道的2維雷達(dá)剖面

Z1表示高熵多次散射，對應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的散射；

Z2表示高熵植被散射，對應(yīng)隨機(jī)的散射元素各向異性的散射；

Z3表示高熵表面散射，對應(yīng)無法被分類的散射；

Z4表示中熵多次散射，對應(yīng)具有中等熵雙反射傳播效應(yīng)的散射；

Z5表示中熵植被散射，對應(yīng)偶極子散射機(jī)制主導(dǎo)的散射；

Z6表示中熵表面散射，對應(yīng)由于表面粗糙度的變化造成熵增加的散射；

Z7表示低熵多重散射，對應(yīng)金屬二面角散射；

Z8表示低熵偶極子散射，代表HH和VV兩個極化方向目標(biāo)能量有很大差異的散射；

Z9表示低熵表面散射，代表光滑平面的散射。

對圖4和圖5的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆時偏移[25]，聚焦冰樣品的表面和底部反射能量，因篇幅限制，本文未展示偏移后的圖像。逆時偏移后在4個極化通道的重構(gòu)圖像中根據(jù)振幅提取目標(biāo)反射信號，組合成全極化散射矩陣進(jìn)行極化分析，通過H ?α分解提取出目標(biāo)極化屬性，并且繪制H ?α平面圖(如圖6所示)，以分析干/水冰目標(biāo)的極化散射特性。從如圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)干冰頂部極化分解結(jié)果位于Z9區(qū)域(低熵表面散射區(qū))。其底部的極化分解結(jié)果主要位于Z8(低熵偶極子散射區(qū))和Z9區(qū)域。Z8區(qū)域是由于干冰中隨機(jī)分布的微小條形結(jié)構(gòu)引起的偶極子散射，而Z9區(qū)域則是因為干冰表面平整而引起的表面散射，如圖9(a)所示。

圖5 水冰不同極化通道的2維雷達(dá)剖面

圖6 2維H ?α平面圖

圖7 干冰樣品反射信號的極化分解結(jié)果

圖8 水冰樣品反射信號的極化分解結(jié)果

水冰頂部的極化分解結(jié)果主要在Z9區(qū)域，這是由于水冰頂部較為光滑而引起的表面散射。而水冰底部的極化分解結(jié)果分布在Z7(低熵多重散射)、Z8和Z9區(qū)域。出現(xiàn)在Z7和Z8區(qū)域是因為水冰內(nèi)部有棱角分明的柱狀結(jié)構(gòu)，符合二面角和偶極子散射，如圖9(b)所示。

圖9 干/水冰細(xì)微結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文使用我國火星車次表層探測雷達(dá)高頻通道所采用的天線陣列搭建了極化探地雷達(dá)系統(tǒng)并開展了室內(nèi)試驗，研究了極化探地雷達(dá)探測和區(qū)分干冰/水冰的能力。初步試驗結(jié)果表明：

(1)干冰和水冰目標(biāo)在2維雷達(dá)剖面中呈現(xiàn)相似的圖像特征，難以區(qū)分。

(2)對偏移后的2維雷達(dá)剖面應(yīng)用H ?α分解，干冰頂部位于Z9區(qū)域(低熵表面散射區(qū))，其底部的極化分解結(jié)果主要位于Z8(低熵多次散射區(qū))和Z9區(qū)域。水冰頂部的極化分解結(jié)果在Z9低熵表面散射區(qū)，水冰底部的極化分解結(jié)果分布在Z7(低熵多重散射區(qū))、Z8和Z9區(qū)域。干冰與水冰呈現(xiàn)不同的極化散射特性，因此利用H ?α極化分解方法區(qū)分火星表土中的干冰和水冰是可行的。

未來工作將進(jìn)行模擬火星土壤環(huán)境中的干冰與水冰室內(nèi)探測試驗，探究利用H ?α極化分解識別和區(qū)分火壤中干冰與水冰的能力，并對已經(jīng)返回地球的RoPeR實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。