CN106164705A

CN106164705A - 采用一发多收雷达探测地外固态星体地质结构的方法与系统

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Publication number: CN106164705A
Application number: CN201480076462.XA
Authority: CN
Inventors: 方广有; 纪奕才; 周斌; 张群英; 卢伟; 沈绍祥
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: US10649078B2; US20170010351A1; EP3081964A4; EP3081964B1; EP3081964C0; EP3081964A1; CN106164705B; WO2016095208A1

Abstract

一种采用一发多收雷达探测地外固态星体地质结构的方法。在该方法中，采用一发多收的工作模式完成地外固态星体各地质分层的厚度分布和结构的探测，并利用电磁波传播理论反演各地质分层的介电常数、深度等信息，具有可靠性高的优点。还公布了一种对地外固态星体进行地质结构探测的超宽带无载波脉冲雷达系统。在该系统中，采用两个探测通道，CH1探测通道工作在HF/VHF波段，用于星体的岩石结构探测，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，用于星体的浅层土壤结构探测，探测深度大于30米，分辨率小于30厘米，两个探测通道协同工作互为补充，可以保证探测工作的准确性和可靠性。

Description

采用一发多收雷达探测地外固态星体地质结构的方法与系统

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种采用一发多收雷达技术探测地外固态星体地质结构的方法与系统。

背景技术

自上世纪五十年代末人类掌握进入太空的技术以后，欧美等国家对地外星体包括月球、火星、金星、木星等进行了一系列的探测研究。然而，人类对地外星体内部的地质构造和土壤厚度分布等信息还知之甚少。人类还需要研制更为先进的探测仪器，用于探测地外星体的土壤以及岩石地质结构，用于研究地外星体的地形地貌，估计矿物资源含量，并为研究地外星体的形成与演化历史提供科学依据。

为了研究月球的地质结构，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雷达包括三个探测频段，分别为：HF1频段、HF2频段、VHF频段，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、带宽窄、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200μs，发射脉冲功率800W，功耗和重量分别为50W和24kg，天线采用两个相互交叉的偶极子形式，其中一个天线发射电磁信号，两个天线同时接收来自月面下的回波信号。SELENE-LRS的主要用途是实现月面下1-5km月壳地质结构探测。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。

为了研究火星地下次表层结构并探测火星表面覆盖层下是否存在水冰，欧空局在2004年向火星发射的火星快车轨道器上搭载了MARSIS雷达系统，MARSIS雷达系统是一种工作于低频段的火星次表层探测雷达，中心频率为1.5-5.5MHz，带宽窄，分辨率差。为了弥补MARSIS雷达系统对火星地下分层结构探测分辨率差的缺陷，美国NASA于2005年8月发射了火星侦察卫星MRO，MRO上搭载了与MARSIS雷达系统相类似的火星次表层结构探测雷达，即SHARAD系统。但由于SHARAD工作频段较高(20MHz)，工作带宽也较宽(10MHz)，对火星地下结构的探测分辨率远高于MARSIS系统。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现上述的ALSE月球探测雷达、MARSIS和SHARAD火星探测雷达均采用收发共用天线，只有一个接收通道；LRS探月雷达采用交叉极化天线。这些雷达只能事先假定介电常数的取值，来计算月球或火星次表层的分层深度，具有较大的误差。此外，目前已经用于月球和火星次表层结构探测的雷达系统，都安装在月球或火星外空的轨道探测器上，受设备安装空间和探测技术的限制，工作带宽窄，探测结果分辨率较低，不能探测月球或火星的土壤分层结构和土壤厚度分布。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种采用一发多收雷达技术探测地外固态星体地质结构的方法与系统，以提高地质测量结果的准确性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种采用一发多收雷达探测地外固态星体地质结构的方法。该方法包括：步骤A：发射天线T₁向地外固态星体的地下发射电磁脉冲信号；步骤B：n个接收天线(R₁、R₂、R₃) 接收电磁脉冲信号遇到第一地质分界面反射的回波信号，该第一地质分界面为该地外固态星体的第一地质分层与第二地质分层的分界面，其中，n≥2；步骤C：根据n个接收天线(R₁、R₂、R₃)中的任一接收天线R_j所接收到的回波信号的数据，建立电磁脉冲信号传输时间、传播速度和第一地质分层厚度的第一方程，与电磁波在大气/第一地质分层分界面上的入射角和折射角以及传播速度的第二方程，该第一方程和第二方程构成一对方程，这样可根据n个接收天线的接收数据共建立n对方程；步骤D：对于n对方程中的两对方程，组成一个四元方程组，由该四元方程组求解电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁和第一地质分层的厚度D₁；以及步骤F：利用电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁，计算第一地质分层的介电常数ε₁。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种对地外固态星体进行地质结构探测的超宽带无载波脉冲雷达系统。该超宽带无载波脉冲雷达系统包括：雷达系统控制器、第一探测通道模块、第二探测通道模块和数据处理系统。其中：雷达系统控制器，用于控制第一探测通道模块和第二探测通道模块工作；第一探测通道模块，工作于第一探测通道CH1，为一发多收系统，包括一个发射天线和多个接收天线；第二探测通道模块，工作于第二探测通道CH2，一发多收系统，包括一个发射天线和多个接收天线；数据处理系统，用于由第一探测通道模块和/或第二探测通道模块获取的数据，利用上述的方法求取地外固态星体第一地质分层的厚度D₁以及介电常数ε₁。

(三)有益效果

本发明采用一发多收雷达技术探测地外固态星体地质结构的方法与系统具有下列有益效果：

(1)采用一发多收的工作模式，利用电磁波传播理论可以精确地反演出地外固态星体土壤和岩石分层结构的深度和介电常数；

(2)采用两个探测通道，CH1探测通道工作在HF/VHF波段，岩石结构的探测深度大于100米，分辨率为米级；CH2探测通道工作在UHF波段，对土壤的探测深度大于30米，分辨率小于30厘米，两个探测通道协同工作，可以保证探测工作的准确性和可靠性；

(3)采用超宽带无载波脉冲雷达，具有工作频带宽、重量轻、精度高、对地外固态星体的地质分层结构无破坏等优点，能够满足地外固态星体表层厚度和次表层地质结构探测的需求；

(4)将该探测雷达搭载于探测车上对地外固态星体土壤厚度和次表层地质结构进行实地探测，探测分辨率高。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例采用一发三收雷达技术探测月球地质结构的方法的流程图；

图2为图1所示方法中雷达波在月球上大气和第一地质分层中反射与折射线路的示意图；

图3给出了超宽带无载波脉冲雷达系统的组成框图；

图4为本实施例超宽带无载波脉冲雷达系统中第一探测通道的发射天线和接收天线在展开状态下的示意图；

图5为本实施例超宽带无载波脉冲雷达系统中第二探测通道的发射天线和接收天线的示意图。

图6为根据本发明第三实施例雷达技术探测地质结构的方法的示意图；

图7为雷达回波数据经数据处理后，以灰度电平图显示的月球次表层地质结构和月壤的剖面图。

【主要元件符号说明】

100-雷达系统控制器；

200-第一探测通道模块；

210-CH1通道发射机； 220-CH1通道发射天线；

231、232、233-三个CH1通道接收天线；

240-CH1通道接收机；

300-第二探测通道模块；

310-CH2通道发射机； 320-CH2通道发射天线；

331、332、333-三个CH2通道接收天线；

340-CH2通道接收机。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明中，采用一发多收的工作模式，利用电磁波传播理论反演地质结构的材料介电常数、深度等信息，具有可靠性高的优点。此外，需要事前说明的是，超宽带是雷达领域内的一个术语，指的是工作带宽大于中心频率的30％，容此不再赘述。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种采用一发三收雷达技术探测月球地质结构的方法。该方法基于4个超宽带天线单元组成一发三收天线阵列，即该天线阵列包含一个发射电线和三个接收天线。

图1为根据本发明第一实施例采用一发三收雷达技术探测月球地质结构的方法的流程图。图2为图1所示方法中雷达波在月球上真空和第一地质分层中反射与折射线路的示意图。请参照图1和图2，本实施例采用一发三收雷达技术探测月球地质结构的方法包括：

步骤S102：发射天线T₁向月球的地下发射电磁脉冲信号；

步骤S104：三个接收天线R₁、R₂、R₃接收所述电磁脉冲信号遇第一地质分界面反射的回波信号，其中，该第一地质分界面为月球上第一地质分层(即月壤层)与第二地质分层的分界面；

步骤S106：根据上述接收天线R₁、R₂、R₃中的每一接收天线R_j(j＝1、2、3)所接收到回波信号的数据，按照以下公式，建立电磁脉冲信号传输时间、传播速度和月壤层厚度的方程(第一方程)：

同时，根据电磁波在介质分界面上的反射定律和折射定律以及斯涅尔 (Snell)定律，建立电磁波在大气(真空)/月壤层分界面上的入射角和折射角以及传播速度的方程(第二方程)：

其中，t_j为发射天线T₁所发出的电磁脉冲信号经月壤层和第二地质分层的分界面反射后到达接收天线R_j的传播时间；L_j为发射天线T₁与接收天线R_j之间的距离；x_j为由发射天线T₁发射，接收天线R_j接收的电磁脉冲信号，在大气/月壤层分界面的入射点和出射点之间的距离；D₀为一发三收天线阵列与月壤层上表面的距离；D₁为月壤层的厚度，c为光速，v₁为电磁脉冲信号在月壤层中的传播速度。t_j、L_j、c、D₀为已知量；x_j，D₁、v₁为未知量。

需要说明的是，本实施例中采用三个接收天线，因此可以建立三对如公式1和公式2所示的方程，而对于含有n个接收天线的系统而言，能够建立的方程应当为n对，此处不再对其进行描述。其中，优选地，n＝3、4、5或6。

步骤S108：对于上述三对方程中的任意两对方程，组成一个四元方程组，求解电磁脉冲信号在月壤层中的传播速度v₁和月壤层的厚度D₁；

对于含有n个接收天线的系统而言，能够建立方程对的个数为n，建立方程组的个数相应为个，相应能够计算出个的月壤层中的传播速度v和月壤层的厚度D₁。

步骤S110：对于求解得出的多个电磁脉冲信号在月壤层中的传播速度v₁和月壤层的厚度D₁，通过平均法得到月壤层的厚度D₁和电磁脉冲信号在月壤层中的传播速度v₁；

步骤S112：利用电磁脉冲信号在月壤呈中的传播速度v₁，计算月壤层的介电常数ε₁：

ε₁＝ε₀ε_r1＝ε₀(c/v₁)² (3)

得到月壤层的厚度和介电常数后，采用相同的方法建立电磁波在第一层和第二地质分层中传播时时间与距离的方程，可以求解出第二地质分层的厚度D₂和介电常数ε₂。同理，可以依次获得月面下探测深度以内的每一层地质结构(月壤和月岩)的深度和厚度。

具体来讲，在步骤S112之后还可以包括：

n个接收天线(R₁、R₂、R₃)接收电磁脉冲信号遇该月球的第i地质分界面反射的回波信号，该第i地质分界面为该月球的第i地质分层与第i+1地质分层的分界面，其中，i≥2；

根据第1至第i-1地质分层的厚度及介电常数、n个接收天线(R₁、R₂、R₃)中的任一接收天线R_j所接收到的回波信号的数据，建立电磁脉冲信号传输时间、传播速度和第i地质分层厚度的方程与电磁波在两种介质分界面上的入射角和折射角以及传播速度的方程，共建立n组方程；

对于n组方程中的任意两组方程，组成一个四元方程组，共组成个四元方程组，对于该个四元方程组中的任一方程组，求解电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和第i地质分层的厚度D_i；

对于求解得出的个电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和月壤层的厚度D_i，通过平均方法得到第i地质分层的厚度D_i和电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i；以及

利用电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i，计算第i地质分层的介电常数ε_i。

根据上述方法，本实施例可以依次获得月面下探测深度以内的每一层月壤和月岩的深度和厚度。

本实施例采用一发三收的工作模式，有利于精确地提取脉冲波在月球各个地质分层中的传播速度，能够比较精确地获取月球各个地质分层的厚度、介电常数等信息。

需要说明的是，本实施例以月球地质结构探测为例进行说明，本领域技术人员应当清楚，本实施例的方法同样应用于其他地外固体星球，例如：小行星、火星、木星或木星的小卫星(例如木卫六)等等。

二、第二实施例

基于上述实施例的采用一发多收雷达探测月球地质结构的方法，在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了一种应用于月球探测的超宽带无载波脉冲雷达系统。该超宽带无载波脉冲雷达工作于两个探测通道-第一探测通道CH1和第二探测通道CH2。第一探测通道的发射通道的带宽较宽，涵盖HF/VHF/UHF波段，其接收通道的带宽仅涵盖HF/VHF波段。第二探测通道的发射通道带宽较窄，仅涵盖UHF波段，其接收通道的带宽也仅涵盖UHF波段。其中，HF/VHF波段可以用于探测月球次表层地质结构，而UHF波段能够精确的探测月球表面月壤分层结构的厚度。

该超宽带无载波脉冲雷达系统包括：雷达系统控制器100、第一探测通道模块200、第二探测通道模块300和数据处理系统。其中，第一探测通道模块200工作于第一探测通道CH1，第二探测通道模块300工作于第二探测通道CH2。

在正常状态下，第二探测通道模块中的接收机接收第二探测通道模块300中发射天线发射雷达信号的回波数据。在故障状态下，即在第二探测通道模块中发射机和/或发射天线发生故障时，第一探测通道模块的发射机和发射天线代替其工作。由于第一探测通道模块的发射机和发射天线的带宽较宽，其发射信号的回波中，HF/VHF波段的信号被第一探测通道模块的接收天线和接收机所接收，UHF波段的信号被第二探测通道模块中的接收天线和接收机所接收，从而提高了第二探测通道的可靠性。

雷达系统控制器100安装于月球车的内部。该月球车在被探测星体上沿地面指令设定的行进路径行走。雷达系统控制器100实现的功能主要有以下几个方面：

(1)为第一探测通道模块200及第二探测通道300中的各部件提供电源；

(2)对第一探测通道模块200和第二探测通道模块300中探测参数进行设置；

(2)向第一探测通道模块200或第二探测通道模块300中的发射机发送触发信号，控制其工作；

(3)控制第一探测通道的接收机和第二探测通道的接收机工作，实现了CH1通道和CH2通道回波信号的高速采集功能，并通过总线接口电路与月球车的综合电子系统进行数据通讯，将CH1通道和CH2通道接收到的回波信号存储至存储装置，并且在需要数据读出时，从存储装置读出 CH1通道和CH2通道的回波信号，并传给月球车的综合电子系统；此外，在雷达系统控制器内，还对回波信号进行实时叠加去除随机干扰噪声，以减少需要传输的数据量。

图3为根据本发明第二实施例超宽带无载波脉冲雷达系统的结构示意图。如图3所示，在超宽带无载波脉冲雷达系统中，第一探测通道模块200包括：CH1通道发射机210、CH1通道发射天线220、三个CH1通道接收天线(231、232、233)、CH1通道接收机240。其中，CH1通道接收机240为三通道接收机。CH1通道发射机210和CH1通道发射天线220构成第一探测通道模块的发射通道。三个CH1通道接收天线(231、232、233)和CH1通道接收机240构成第一探测通道模块的三个接收通道。

第二探测通道模块300包括：CH2通道发射机310、CH2通道发射天线320、三个CH2通道接收天线(331、332、333)、CH2通道接收机340。其中，CH2通道接收机340也为三通道接收机。CH2通道发射机310和CH2通道发射天线320构成第二探测通道模块的发射通道。三个CH2通道接收天线(331、332、333)和CH2通道接收机340构成第二探测通道模块的三个接收通道。

其中，CH1通道发射天线、三个CH1通道接收天线、CH2通道发射天线、三个CH2通道接收天线均为超宽带天线。上述实施例中，第一探测通道模块和第二探测通道模块中接收通道的数目相同，本发明并不以此为限，事实上，两者可以相同，也可以不同。

本实施例采用一发多收工作模式。对于第一探测通道模块和第二探测通道模块而言，均具有多个接收通道，当某一接收通道损坏后，其它接收通道依然能够完成实验，能够提高了系统的可靠性。

本实施例中，第一探测通道模块的CH1通道发射机、CH1通道接收机；第二探测通道模块的CH2通道发射机、CH2通道接收机安装于月球车内部，多个超宽带天线-一个CH1通道发射天线、三个CH1通道接收天线、一个CH2通道发射天线、三个CH2通道接收天线，安装于月球车的外围。

CH1通道发射机输出的高斯脉冲信号幅度为1000V，脉冲宽度为8ns；CH2通道发射机输出的高斯脉冲信号幅度为400V，脉冲宽度为2ns。CH1 通道发射天线的工作频率为30～750MHz，三个CH1通道接收天线的工作频率为30～90MHz，CH2通道发射天线和三个CH2通道接收天线的工作频率为250～750MHz。

CH1通道发射机210，与雷达系统控制器100和CH1通道发射天线220相连接，在雷达系统控制器100的控制下输出HF/VHF/UHF波段的电磁脉冲信号，并传输到CH1通道发射天线220上并辐射到月球次表层中。在正常模式下，该电磁脉冲信号在月壤和月球次表层中遇到不均匀介质时会产生回波信号，该回波信号仅被CH1接收天线接收并被传输到CH1通道接收机。在故障模式下，即在第二探测通道模块300的发射机和/或发射天线发生故障时，回波信号可以同时被CH1接收天线和CH2接收天线接收到并分别传输到CH1通道接收机和CH2通道接收机。

CH1通道接收机240是一种三通道接收机，与雷达系统控制器100和三个CH1通道接收天线(231、232、233)相连接，在雷达系统控制器100的控制下，用于接收三个CH1通道接收天线(231、232、233)上接收到的回波信号；

CH2通道发射机310与雷达系统控制器100和超宽带天线320相连接，在雷达系统控制器100的控制下输出UHF超宽带无载波脉冲信号，并传输到超宽带天线320上并辐射到月球次表层中。在正常工作模式下，该回波信号被CH2接收天线接收到并传输到CH2通道接收机。

CH2通道接收机340是一种三通道接收机，与雷达系统控制器100以及三个超宽带接收天线(331、332、333)相连接，在雷达系统控制器100的控制下，用于接收该三个超宽带天线上接收到的回波脉冲信号。

在本实施例超宽带无载波脉冲雷达系统中：

(1)在正常状态下，CH1通道发射机可以发射HF/VHF/UHF波段的信号，三个CH1通道接收机同时接收CH1发射信号在月壤和月球次表层岩石中遇到不均匀介质时的回波信号；CH2通道发射机发射UHF波段的信号，三个CH2通道接收机接收CH2发射信号在月壤和月球次表层岩石中遇到不均匀介质时的回波信号；

(2)在故障状态下，即在第二探测通道模块中发射机和/或发射天线发生故障时，由于第一探测通道模块的发射机和发射天线的带宽较宽，其发射信号的回波中，HF/VHF波段的信号被第一探测通道模块的接收天线和接收机所接收，UHF波段的信号被第二探测通道模块中的接收天线和接收机所接收，从而提高了第二探测通道的可靠性。

在第一探测通道和第二探测通道中，发射天线用于辐射无载波脉冲信号，接收天线用于接收月壤和月面次表层岩石结构反射的回波信号。

图4为本实施例超宽带无载波脉冲雷达系统中第一探测通道的发射天线和接收天线在展开状态下的示意图。由图4所示，发射天线220和三个接收天线(231、232、233)为超宽带单极天线，分别安装在月球车的头部和尾部，其中发射天线220用于辐射脉冲信号；接收天线(231、232、233)接收月球次表层结构产生的回波信号，并传给CH1通道接收机(340)。发射天线220和接收天线(231、232、233)在卫星发射时，收拢压紧安装在月球车表面，月球车到达月面后，通过地球发出的指令使天线展开。发射天线220和接收天线(231、232、233)的工作频率为30～90MHz，电压驻波比小于3.0。

图5为本实施例超宽带无载波脉冲雷达系统中第二探测通道的发射天线和接收天线的示意图。由图5所示，CH2通道发射天线320、CH2通道接收天线(331、332、333)都是三角形偶极子天线，贴合安装在月球车的底部，其中发射天线320用于辐射脉冲信号；接收天线(331、332、333)接收月壤分层产生的回波信号，并传给CH2通道接收机310。为提高超宽带天线(331、332、333)的单向辐射特性，天线阵背面安装一个金属反射腔，金属反射腔开口朝下，高度约为0.15m。CH2通道发射天线320、CH2通道接收天线(331、332、333)的工作频率为250～750MHz，电压驻波比小于2.0。

本实施例中，采用三角形偶极子天线，该偶极子天线的两个辐射臂均呈三角形，但本发明并不以此为限。本发明还可以采用其他类型的偶极子天线。该偶极子天线的两个辐射臂还可以采用圆形，半圆形，椭圆形，半椭圆，水滴形等等，另外还可以采用电阻加载的方法改善辐射脉冲信号的质量。

数据处理系统可以位于月球车上，也可以位于地球上。基于降低月球车载荷以及功能方面的考虑，该数据处理系统优选地位于地球上。

数据处理系统用于利用第一探测通道模块和第二探测通道模块所获取的回波数据，利用第一实施例的方法计算月面下每层月壤的厚度以及该层月壤的介电常数，具体来讲，该数据处理系统的功能为：依据第一探测通道模块或第二探测通道模块中的发射通道及三个接收通道的数据，建立三对雷达波传输时间、传播速度、入射角、折射角和月壤厚度的方程；对于上述三对方程中的任意两对，组成一个四元方程组，求解电磁脉冲信号在月壤层中的传播速度v₁和月壤层的厚度D₁；对于求解得出的多个电磁脉冲信号在月壤呈中的传播速度v₁和月壤层的厚度D₁的值，通过平均方法比较精确地得到月壤层的厚度D_i和脉冲波在月壤层中的传播速度v；利用脉冲波在月壤层中的传播速度v₁，计算月壤层的介电常数ε₁。然后，利用相同的方法，依次计算月球第二层以下各层的厚度和介电常数。

本实施例中，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，分别完成月壤厚度和月球次表层地质结构的探测。图6为根据本发明第二实施例超宽带无载波脉冲雷达系统工作过程的示意图。请参照图6，该工作过程包括：

步骤S602：CH1通道的发射机产生超宽带无载波脉冲信号，并将超宽带脉冲信号馈给CH1通道发射天线，CH1通道发射天线将超宽带脉冲信号辐射到月球次表层中，在月球次表层结构中不连续处将产生回波信号；

步骤S604：三个CH1通道接收天线接收CH1通道的发射天线辐射的超宽带脉冲信号在月球次表层结构中不连续处将产生回波信号中位于HF/VHF波段的回波信号，CH1通道三通道接收机采集从该三个CH1通道接收天线传输来的回波信号，并经过放大和采样接收，将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S606：判断CH2通道的发射机和发射天线是否正常工作，如果是，执行步骤S608，否则，执行步骤S612；

步骤S608：CH2通道的发射机产生超宽带无载波脉冲信号，并将超宽带脉冲信号馈给CH2通道的发射天线，CH2通道的发射天线将超宽带脉冲信号辐射到月球表层土壤中，在月球表层土壤结构中不连续处将产生回波信号；

步骤S610：三个CH2通道接收天线接收CH2通道的发射天线辐射的超宽带无载波脉冲信号在月球表层土壤的回波信号，在雷达系统控制器的控制下，CH2通道的接收机采集从该三个CH2通道接收天线传输来的脉冲波信号，并经过放大和采样接收，将脉冲信号变换成数字信号，储存在月球车的数据存储器内，执行步骤S614；

步骤S612：CH1通道的发射通道开始工作，三个CH2通道接收天线接收CH1通道的发射天线辐射的超宽带脉冲信号在月球次表层结构中不连续处将产生回波信号中位于UHF波段的回波信号，CH2通道接收机采集从该三个CH2通道接收天线传输来的回波信号，并经过放大和采样接收，将脉冲信号变换成数字信号，储存在月球车的数据存储器内，执行步骤S614；

步骤S614：月球车沿预设行进路线移动，重复上述步骤S602～S608，直至月球车到达预设行进路线的终点，从而完成月球车在预设行进路线上月球次表层地质结构的探测；

步骤S616：月球车将雷达探测数据传输到位于地球的数据处理装置，在该数据处理装置中，采用第一实施例的方法就可以得到月面下相应位置每层月壤的厚度以及该层月壤的介电常数，从而沿行进路径就可以绘出月球次表层地质结构和月壤分层结构的剖面图；

图7为雷达回波数据经数据处理后，以灰度图显示的月球次表层地质结构和月壤的剖面图。由图7可以清楚的看到月球次表层地质结构和月壤的剖面，效果比现有技术得到的月球次表层地质结构和月壤的剖面图都要清晰和准确。

需要说明的是，本实施例以月球地质结构探测为例进行说明，本领域技术人员应当清楚，本实施例的系统同样应用于其他地外固体星球的探测，例如：小行星、火星、木星或木星的小卫星(例如木卫六)等等。

至此，已经结合附图对本发明两个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明采用一发多收雷达技术探测地质结构的方法与系统有了清楚的认识。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地替换。

综上所示，本发明提供利用安装在月球车上的一发多收雷达技术实现月壤厚度和月球次表层地质结构探测的方法及系统。通过本发明，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。

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。

Claims

一种采用一发多收雷达探测地外固态星体地质结构的方法，其特征在于，包括：

步骤A：发射天线(T₁)向地外固态星体的地下发射电磁脉冲信号；

步骤B：n个接收天线(R₁、R₂、R₃)接收所述电磁脉冲信号遇到第一地质分界面反射的回波信号，该第一地质分界面为该地外固态星体的第一地质分层与第二地质分层的分界面，其中，n≥2；

步骤C：根据所述n个接收天线(R₁、R₂、R₃)中的任一接收天线R_j所接收到的回波信号的数据，建立电磁脉冲信号传输时间、传播速度和第一地质分层厚度的第一方程，与电磁波在大气或真空与第一地质分层的分界面上的入射角和折射角以及传播速度的第二方程，该第一方程和第二方程构成一对方程，根据n个接收天线接收到的回波信号的数据共建立n对方程；

步骤D：对于所述n对方程中的两对方程，组成一个四元方程组，由该四元方程组求解电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁和第一地质分层的厚度D₁；以及

步骤F：利用电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁，计算第一地质分层的介电常数ε₁。
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n≥3；

所述步骤D中，共组成个四元方程组，对于该个四元方程组中的任一方程组，求解电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁和第一地质分层的厚度D₁；

所述步骤D之后还包括：

步骤E：对于求解得出的个电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁和第一地质分层的厚度D₁，通过平均得到电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度v₁和第一地质分层的厚度D₁。
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，对于接收天线R_j：

第一方程为：

第二方程为：

其中，t_j为发射天线T₁所发出的电磁脉冲信号经第一地质分层和第二地质分层的分界面反射后到达接收天线R_j的传播时间；L_j为发射天线T₁与接收天线R_j之间的距离；x_j为由发射天线T₁发射，接收天线R_j接收的电磁脉冲信号，在大气/第一地质分层的分界面的入射点和出射点之间的距离；D₀为一发三收天线阵列与第一地质分层上表面的距离；D₁为第一地质分层的厚度，c为光速，v₁为电磁脉冲信号在第一地质分层中的传播速度。
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F中，按照下式计算第一地质分层的介电常数ε₁：

ε₁＝ε₀(c/v₁)²。
根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算第一地质分层的介电常数ε₁的步骤之后还包括：

步骤G：n个接收天线(R₁、R₂、R₃)接收所述电磁脉冲信号遇第i地质分界面反射的回波信号，该第i地质分界面为该地外固态星体的第i地质分层与第i+1地质分层的分界面，其中，i≥2；

步骤H：根据第1至第i-1地质分层的厚度及介电常数、所述n个接收天线(R₁、R₂、R₃)中的任一接收天线R_j所接收到的回波信号的数据，建立电磁脉冲信号传输时间、传播速度和第i地质分层厚度的第一方程，与电磁波在第i地质分界面上的入射角和折射角以及传播速度的第二方程，该第一方程和第二方程构成一对方程，共建立n对方程；

步骤I：对于所述n对方程中的任意两对方程，组成一个四元方程组，由该四元方程组，求解电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和第i地质分层的厚度D_i；

步骤K：利用电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i，计算第i地质分层的介电常数ε_i。
根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述n≥3；

所述步骤I中，共组成个四元方程组，对于该个四元方程组中的任一方程组，求解电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和第i地质分层的厚度D_i；

所述步骤I之后还包括：

步骤J：对于求解得出的个电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和第一地质分层的厚度D_i，通过平均得到电磁脉冲信号在第i地质分层中的传播速度v_i和第i地质分层的厚度D_i。
根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述n＝3、4、5或6。
根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述地外固态星体为月球、小行星、火星、土星、木星或木星的卫星。
一种对地外固态星体进行地质结构探测的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括雷达系统控制器、第一探测通道模块、第二探测通道模块和数据处理系统，其中：

所述雷达系统控制器，用于控制所述第一探测通道模块和第二探测通道模块工作；

所述第一探测通道模块，工作于第一探测通道CH1，为一发多收系统，包括一个发射天线和多个接收天线；

所述第二探测通道模块，工作于第二探测通道CH2，为一发多收系统，包括一个发射天线和多个接收天线；

所述数据处理系统，用于由第一探测通道模块和/或第二探测通道模块获取的数据，利用权利要求1至8中任一项所述的方法求取所述地外固态星体第一地质分层的厚度D₁以及介电常数ε₁。
根据权利要求9所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于，所述第一探测通道CH1的发射通道的带宽涵盖HF/VHF/UHF波段，接收通道的带宽仅涵盖HF/VHF波段；所述第二探测通道CH2的发射通道的带宽仅涵盖UHF波段，接收通道的带宽仅涵盖UHF波段。
根据权利要求10所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于：

所述第一探测通道模块包括：CH1通道发射机、CH1通道发射天线、J个CH1通道接收天线、一个J通道的CH1通道接收机，其中，所述CH1通道发射机和CH1通道发射天线构成第一探测通道模块的发射通道，所述J个CH1通道接收天线和CH1通道接收机构成第一探测通道模块的J个接收通道；

所述第二探测通道模块包括：CH2通道发射机、CH2通道发射天线、K个CH2通道接收天线、一个K通道的CH2通道接收机，其中，所述CH2通道发射机和CH2通道发射天线构成第二探测通道模块的发射通道，所述K个CH2通道接收天线和CH2通道接收机构成第二探测通道模块的K个接收通道。
根据权利要求11所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于：

在正常状态下，CH1通道发射天线辐射HF/VHF/UHF波段的电磁脉冲信号，J个CH1通道接收机接收该电磁脉冲信号遇到第一地质分界面反射的回波信号中HF/VHF波段的部分；CH2通道发射天线辐射UHF波段的电磁脉冲信号，K个CH2通道接收机接收该电磁脉冲信号遇到第一地质分界面的回波信号；

在第二探测通道模块中发射机和/或发射天线发生故障时，CH1通道发射天线辐射HF/VHF/UHF波段的电磁脉冲信号，该电磁脉冲信号遇到第一地质分界面反射的回波信号中，HF/VHF波段的回波信号被第一探测通道模块的CH1通道接收天线和CH1通道接收机所接收，UHF波段的回波信号被第二探测通道模块中的CH2通道接收天线和CH2通道接收机所接收。
根据权利要求11所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于，所述第一探测通道模块中，CH1通道发射天线和J个CH1通道接收天线均为超宽带单极天线，安装于探测车的头部和尾部，在探测器发射时，CH1通道天线收拢压紧安装于探测车表面，在探测车到达所述地外固态星体后，通过地球上发出的指令展开。
根据权利要求11所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于，所述CH2通道发射天线和K个CH2通道接收天线都是超宽带偶极子天线，贴合安装在探测车的底部，该偶极子天线的辐射臂为三角形、圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆形或水滴形。
根据权利要求11所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于，所述CH2通道发射天线和K个CH2通道接收天线背面安装一个金属反射腔，金属反射腔开口朝下。
根据权利要求11所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于：

所述第一探测通道模块中，所述CH1通道发射天线的工作频率为30～750MHz，J个CH1通道接收天线的工作频率为30～90MHz，电压驻波比小于3.0；

所述第二探测通道模块中，所述CH2通道发射天线和K个CH2通道接收天线的工作频率为250～750MHz，电压驻波比小于2.0。
根据权利要求9至16中任一项所述的超宽带无载波脉冲雷达系统，其特征在于：

所述数据处理系统安装于探测车上或位于地球上；

所述雷达系统控制器、第一探测通道模块和第二探测通道模块安装于探测车上，该第一探测通道模块和第二探测通道模块在所述地外球体的表面进行探测。