一种探测月壤厚度和月球次表层地质结构的方法及系统

摘要

一种探测月壤厚度和月球次表层地质结构的方法及系统。本发明公开了一种利用超宽带无载波脉冲雷达实现月壤厚度和月球次表层地质结构探测的系统和方法，所述雷达系统包含两个探测通道，其中，第一通道工作在HF/VHF波段，采用一发一收的工作模式，用于探测月球次表层岩石的地质结构；第二通道工作在UHF波段，采用一发二收的工作模式，能够精确的探测月球月壤分层结构的厚度。超宽带无载波脉冲雷达安装在月球车上，随着月球车的移动，两个探测通道交替工作，分别辐射和接收超宽带无载波脉冲，完成月壤厚度分布和月球次表层岩石地质结构的探测。探测数据回传到地球后，经过滤波和放大等处理后，在显示屏幕上绘制出月球次表层岩石地质结构和月壤分层结构的剖面图。

说明书

技术领域

本发明属于月球地质结构探测技术领域，特别是一种利用超宽带无载 波脉冲雷达对月壤厚度和月球次表层地质结构进行探测的方法及系统。

背景技术

目前，人类对月球内部的地质构造和月壤厚度分布等信息还知之甚 少。月球部分地区1～2km深度范围内已知的地质结构信息主要来源于美 国Apollo计划的探测结果。1973年，Apollo-17号飞船搭载了一套多波段 穿透探测雷达，即ALSE月球探测雷达(Apollo Lunar Sounder Experiment)， ALSE雷达对月球部分地区进行了累计13个小时的在轨探测，探测到1～ 2km深度范围内的地质结构数据。但由于受当时电子技术发展水平的限 制，该雷达的探测结果存在诸多缺陷，主要表现在信号质量差、信噪比低、 没有相位信息、深度分辨率低、探测时间短等方面。例如，雷达的深度分 辨率约为150米，不能给出月壤的厚度分布信息。另外，由于雷达数据记 录在光学胶片上，需要NASA专门研制的设备才能读出，导致探测数据的 后续处理工作极其困难。截止目前，美国仅公开了ALSE雷达对月球阴影 区部分地区的探测结果。从已经公开的数据看，尽管该雷达对月壳地质层 的组成及其层厚的分辨能力比较差，但ALSE雷达的探测结果还是为人类 更好地认识月球提供了一些非常重要的信息。

日本于九十年代开始研制的探月飞船，即月神号(SELENE)飞船， 搭载了LRS探月雷达(Lunar Radar Sounder)，用于实现月面下4-5千米深 度范围内地质结构探测。SELENE-LRS雷达工作于4～6MHz频段，线性 调频脉冲信号，脉冲宽度为200us，发射脉冲功率800W，功耗和重量分别 为50W和24kg，天线采用偶极子形式。SELENE-LRS的主要用途为：(1) 实现月面下1-5km月壳地质结构探测；(2)测量月球环境下的宇宙噪声。 SELENE月球探测飞船于2007年9月14号发射升空，轨道高度100km， 2007年11月20日LRS雷达开始工作。LRS雷达系统给出了月面下数百 米至千米量级范围内的月壳地质结构分布，但地质层的分辨率比较差。

可见，目前已经用于月球次表层结构探测的雷达系统，都安装在月球 外空的轨道探测器上，受设备安装空间和探测技术的限制，探测结果分辨 率较低。为了提高探测月壤厚度和月球次表层结构的深度和分辨率，需要 研制能够在月球表面进行实地就位探测的雷达系统，要求雷达具有较高的 探测深度和分辨率指标，并能够同时探测月壤的分层结构和月球次表层的 岩石结构，为研究月球地质学、矿物学、月球形成和演化史提供科学数据。

发明内容

为了对月壤厚度和月球次表层地质结构进行实地精确探测，本发明提 供一种利用安装在月球车上的超宽带无载波脉冲雷达实现月壤厚度和月 球次表层地质结构探测的方法及系统。

为了实现所述的目的，根据本发明的一方面，提供一种利用超宽带无 载波脉冲雷达对月壤厚度和月球次表层地质结构进行探测的系统，该系统 包括：控制器、第一通道脉冲信号发射机、第一通道接收机、第二通道脉 冲信号发射机、第二通道接收机以及多付超宽带天线，其中：

所述控制器，用于输出时钟信号和触发脉冲信号，以控制所述第一通 道脉冲信号发射机、所述第二通道脉冲信号发射机、所述第一通道接收机、 所述第二通道接收机分别进行超宽带无载波脉冲信号的发射和反射脉冲 信号的接收，并为所述发射机和接收机提供电源；

所述第一通道脉冲信号发射机与所述控制器和第一通道超宽带发射 天线相连接，用于在所述控制器的控制下输出HF/VHF超宽带无载波脉冲 信号，并通过所述第一通道超宽带发射天线将所述HF/VHF超宽带无载波 脉冲信号辐射到月球次表层中；

所述第一通道接收机与所述控制器和第一通道超宽带接收天线相连 接，用于在所述控制器的控制下接收所述第一通道超宽带接收天线接收到 的对应于所述HF/VHF超宽带无载波脉冲信号的反射脉冲信号；

所述第二通道脉冲信号发射机与所述控制器和第二通道超宽带发射 天线相连接，用于在所述控制器的控制下输出UHF超宽带无载波脉冲信 号，并通过所述第二通道超宽带发射天线将所述UHF超宽带无载波脉冲 信号辐射到月壤中；

所述第二通道接收机与所述控制器、第二通道超宽带接收天线A和第 二通道超宽带接收天线B相连接，用于在所述控制器的控制下，接收所述 第二通道超宽带接收天线A和所述第二通道超宽带接收天线B接收到的 对应于所述UHF超宽带无载波脉冲信号的反射脉冲信号。

根据本发明的另一方面，还提供一种利用超宽带无载波脉冲雷达对月 壤厚度和月球次表层地质结构进行探测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：随着月球车的移动，在雷达控制器的控制下，第一通道脉冲 信号发射机产生超宽带无载波脉冲信号，并将所述超宽带无载波脉冲信号 馈给第一通道超宽带发射天线；

步骤2：所述第一通道超宽带发射天线将所述超宽带无载波脉冲信号 辐射到月球次表层中，第一通道超宽带接收天线接收月球次表层结构中的 不连续处产生的反射脉冲信号，并发送给第一通道接收机；

步骤3：所述第一通道接收机对接收到的所述反射脉冲信号进行放大、 采样，并将所述反射脉冲信号变换成数字信号，储存在月球车的数据存储 器内；

步骤4：在所述雷达控制器的控制下，第二通道脉冲信号发射机产生 超宽带无载波脉冲信号，并将所述超宽带无载波脉冲信号馈给第二通道超 宽带发射天线；

步骤5：所述第二通道超宽带发射天线将所述超宽带无载波脉冲信号 辐射到月球次表层中，第二通道超宽带接收天线A和第二通道超宽带接收 天线B接收月球次表层结构中的不连续处产生的反射脉冲信号，并发送给 第二通道接收机；

步骤6：所述第二通道接收机的两个接收通道分别接收从两个接收天 线传输来的反射脉冲信号，对所述反射脉冲信号进行放大、采样，并将所 述反射脉冲信号变换成数字信号，分别储存在月球车的数据存储器内；

步骤7：随着月球车的移动，重复所述步骤1～6，完成对于月球车行 进路线上月壤厚度和月球次表层地质结构的探测；

步骤8：月球车将所探测到的数据传输到地球，以伪彩色电平图、灰 色电平图或波形堆积图方式显示，或绘出月球次表层地质结构和月壤的剖 面图，并根据电磁波传播理论得到月壤和月岩的介电常数。

本发明的积极效果或优点为：本发明提出一种利用超宽带无载波脉冲 雷达实现月壤厚度和月球次表层地质结构探测的方法，可以将该探测雷达 搭载于月球车上对月壤厚度和月球次表层地质结构进行实地探测。该雷达 采用两个探测通道，Ch1探测通道工作在HF/VHF波段，对月岩的探测深 度大于100米，分辨率为米级；Ch2探测通道工作在UHF波段，对月壤 的探测深度大于30米，分辨率小于30厘米。同时，Ch2探测通道采用一 发二收的工作模式，利用电磁波传播理论可以精确地反演出月壤分层结构 的深度和介电常数。通过探测，能够获取月壤和月球次表层地质的分层结 构特性，用于反演月壤及月壳浅层岩石的电磁参数，为估计矿物资源含量 提供依据，并对于研究月球地质学、月球形成和演化史具有重要的科学意 义。超宽带无载波脉冲雷达具有工作频带宽、重量轻、精度高、对月壤破 坏较小等优点，能够满足月壤厚度和月球次表层地质结构探测的需求。

附图说明

图1为本发明探测系统的工作示意图；

图2为本发明探测系统的结构组成示意图；

图3为本发明探测系统控制器的结构组成框图；

图4为本发明Ch1脉冲信号发射机的结构组成框图；

图5为本发明Ch1接收机的结构组成框图；

图6为本发明Ch2接收机的结构组成框图；

图7为本发明Ch1发射和接收天线的结构示意图；

图8为本发明Ch2发射和接收天线的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种利用超宽带无载波脉冲雷达对月球次 表层地质结构进行探测的系统，以实现对月壤和月球次表层地质结构的实 地探测与测量。

图1为本发明探测系统的工作示意图，如图1所示，本发明的探测系 统装载在月球车上，其通过安装在月球车外的超宽带天线辐射脉冲信号、 并接收月壤和月球次表层地质结构反射的脉冲信号。

本发明探测系统的主要特点是包含两个探测通道，其中，第一通道 (Ch1)工作在HF/VHF波段，采用一发一收的工作模式，用于探测月球 次表层岩石的地质结构；第二通道(Ch2)工作在UHF波段，采用一发二 收的工作模式，能够精确的探测月球月壤分层结构的厚度，即本发明探测 系统采用双通道脉冲信号发射机、多通道接收机、多付超宽带天线。其中， 双通道脉冲信号发射机输出的脉冲信号幅度分别为1000伏和400伏，脉 冲宽度分别为5纳秒和1纳秒。

图2为本发明探测系统的结构组成示意图，如图2所示，所述探测系 统包括控制器1、第一通道(Ch1)脉冲信号发射机2、第一通道(Ch1) 接收机3、第二通道(Ch2)脉冲信号发射机4、第二通道(Ch2)接收机 5以及多付超宽带天线(6～10)，其中：

所述控制器1，用于输出时钟信号和触发脉冲信号，以控制所述第一 通道脉冲信号发射机2、所述第二通道脉冲信号发射机4这两个通道的发 射机和所述第一通道接收机3、所述第二通道接收机5这两个通道的接收 机分别进行超宽带无载波脉冲信号的发射和反射脉冲信号的接收，并为所 述发射机和接收机提供电源；

所述第一通道脉冲信号发射机2与所述控制器1和第一通道超宽带发 射天线6相连接，用于在所述控制器1的控制下输出HF/VHF超宽带无载 波脉冲信号，并通过所述第一通道超宽带发射天线6将所述HF/VHF超宽 带无载波脉冲信号辐射到月球次表层中；

所述第一通道接收机3与所述控制器1和第一通道超宽带接收天线7 相连接，用于在所述控制器1的控制下接收所述第一通道超宽带接收天线 7接收到的对应于所述HF/VHF超宽带无载波脉冲信号的反射脉冲信号；

所述第二通道脉冲信号发射机4与所述控制器1和第二通道超宽带发 射天线8相连接，用于在所述控制器1的控制下输出UHF超宽带无载波 脉冲信号，并通过所述第二通道超宽带发射天线8将所述UHF超宽带无 载波脉冲信号辐射到月壤中；

所述第二通道接收机5是一种双通道接收机，其与所述控制器1以及 第二通道的两个超宽带接收天线：第二通道超宽带接收天线A9和第二通 道超宽带接收天线B10相连接，用于在所述控制器1的控制下，接收所述 第二通道超宽带接收天线A9和所述第二通道超宽带接收天线B10接收到 的对应于所述UHF超宽带无载波脉冲信号的反射脉冲信号。

其中，所述控制器1、脉冲信号发射机以及接收机均安装于月球车的 内部，所有超宽带天线安装于月球车的外部。在地面遥控指令的控制下， 随着月球车的移动，上述两个通道交替工作，分别辐射和接收超宽带无载 波脉冲，完成对于月壤和月球次表层岩石地质结构的探测。

图3为本发明探测系统控制器的结构组成框图，如图3所示，所述控 制器1进一步包括：雷达控制器11、总线接口电路12、供电电源电路13、 时钟电路14、配置电路15、第一通道(Ch1)信号输入电路16、第二通 道(Ch2)信号输入电路17，其中：

所述雷达控制器11实现为一FPGA模块，其控制所述发射机2，4和 接收机3，5的工作，以对第一通道和第二通道的反射脉冲信号进行高速 采集接收，并通过所述总线接口电路12与月球车综合电子系统进行数据 通讯、数据注入及探测数据输出；另外，在所述雷达控制器11内，还对 所述反射脉冲信号进行实时叠加去除随机干扰噪声；

所述供电电源电路13用于对所述月球车提供的电源进行限流、滤波 和稳压，从而得到所述雷达控制器11、发射机、接收机等单元所需要的供 电电源；

所述时钟电路14用于为所述雷达控制器11提供标准时钟信号；

所述第一通道和第二通道信号输入电路16、17进一步包括输入信号 偏置电路和程控比较电平产生电路，用于接收反射脉冲信号。

图4为本发明Ch1脉冲信号发射机的结构组成框图，如图4所示，所 述第一通道脉冲信号发射机2包括驱动脉冲产生电路21和多级雪崩电路 22，所述控制器1发出的发射机触发脉冲信号，通过所述驱动脉冲产生电 路21整形和滤波后产生驱动雪崩三极管的窄脉冲，从而触发多级雪崩电 路22产生高幅度超宽带电压脉冲信号，并馈给所述第一通道超宽带发射 天线6。

所述第二通道脉冲信号发射机4与所述第一通道脉冲信号发射机2的 工作原理相同，其仅通过调整电路参数，使其产生UHF超宽带电压脉冲 信号，并馈给所述第二通道超宽带发射天线8。

图5为本发明Ch1接收机的结构组成框图，如图5所示，所述Ch1接 收机3依次包括限幅模块34、低通滤波器33、数控衰减模块32以及放大 模块31，所述第一通道接收机3接收来自所述第一通道超宽带接收天线7 接收到的月面分层结构反射脉冲信号后，依次经过限幅、滤波、衰减以及 放大后，发送给所述控制器1，经所述控制器1转换成数字信号后进行存 储。

图6为本发明Ch2接收机的结构组成框图，如图6所示，所述第二通 道接收机5包括两个接收通道，每个接收通道依次包括限幅模块53、数控 衰减模块52以及放大模块51；所述第二通道接收机5接收来自所述第二 通道超宽带接收天线A9和所述第二通道超宽带接收天线B10接收到的月 面分层结构反射脉冲信号后，依次经过限幅、衰减以及放大后，发送给所 述控制器1，经所述控制器1转换成数字信号后进行存储。

图7为本发明Ch1天线的结构示意图，如图7所示，所述第一通道超 宽带发射天线6和所述第一通道超宽带接收天线7为超宽带单极天线，安 装在月球车的尾部，其中所述第一通道超宽带发射天线6用于辐射脉冲信 号；所述第一超宽带接收天线7用于接收月面次表层结构产生的反射脉冲 信号，并发送给所述第一通道接收机3。所述第一超宽带发射天线6和所 述第一超宽带接收天线7的工作频率为30～90MHz，电压驻波比小于3.0。

图8为本发明Ch2天线的结构示意图，如图8所示，所述第二通道超 宽带发射天线8、所述第二通道超宽带接收天线A9和所述第二通道超宽 带接收天线B10都是超宽带偶极子天线，安装在月球车的底部，其中所述 第二通道超宽带发射天线8用于辐射脉冲信号；所述第二通道超宽带接收 天线A9和所述第二通道超宽带接收天线B10用于接收月壤分层产生的反 射脉冲信号，并发送给所述第二通道接收机3。所述第二通道超宽带发射 天线8、所述第二通道超宽带接收天线9和所述第二通道超宽带接收天线 10的工作频率为250～750MHz，电压驻波比小于2.0。

根据本发明的另一方面，还提出一种利用超宽带无载波脉冲雷达对月 壤厚度和月球次表层地质结构进行探测的方法，如图1所示，所述方法包 括以下步骤：

步骤1：随着月球车的移动，在雷达控制器的控制下，第一通道Ch1 脉冲信号发射机产生超宽带无载波脉冲信号，并将所述超宽带无载波脉冲 信号馈给第一通道超宽带发射天线；

步骤2：所述第一通道超宽带发射天线将所述超宽带无载波脉冲信号 辐射到月球次表层中，第一通道超宽带接收天线接收月球次表层结构中的 不连续处产生的反射脉冲信号，并发送给第一通道Ch1接收机；

步骤3：所述第一通道Ch1接收机对接收到的所述反射脉冲信号进行 放大、采样，并将所述反射脉冲信号变换成数字信号，储存在月球车的数 据存储器内；

步骤4：在所述雷达控制器的控制下，第二通道Ch2脉冲信号发射机 产生超宽带无载波脉冲信号，并将所述超宽带无载波脉冲信号馈给第二通 道超宽带发射天线；

步骤5：所述第二通道超宽带发射天线将所述超宽带无载波脉冲信号 辐射到月球次表层中，第二通道超宽带接收天线A和第二通道超宽带接收 天线B接收月球次表层结构中的不连续处产生的反射脉冲信号，并发送给 第二通道Ch2接收机；

步骤6：所述第二通道Ch2接收机的两个接收通道分别接收从两个接 收天线传输来的反射脉冲信号，对所述反射脉冲信号进行放大、采样，并 将所述反射脉冲信号变换成数字信号，分别储存在月球车的数据存储器 内；

步骤7：随着月球车的移动，重复步骤1～6，即可完成对于月球车行 进路线上月壤厚度和月球次表层地质结构的探测；

步骤8：月球车将所探测到的数据传输到地球，以伪彩色电平图、灰 色电平图或波形堆积图方式显示，并可绘出月球次表层地质结构和月壤的 剖面图，还可以根据电磁波传播理论得到月壤和月岩的介电常数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。