科研人员发展地基雷达月球成像技术

地基雷达是对月球甚至太阳系其他天体进行有效遥感探测的方法之一，可以提供许多关于月球风化层物理特性的信息，如月球表面和次表面岩石丰度、风化层厚度、铁和钛含量、撞击熔体分布、正面大尺度地形图等。目前地基雷达月球成像主要通过美国的Arecibo和Haystack这两个雷达进行，国内先前因缺少合适的设备和相关实验设计及数据处理经验，相关工作一直较少。近期国内对地基雷达月球探测方面已有一些初步研究，如基于喀什深空站和昆明40米射电望远镜的连续波信号双基地探月试验、基于曲靖非相干散射雷达的巴克码脉冲信号自发自收探月实验等，但是无论是实验设计还是算法研究方面，仍有许多问题有待解决。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所研究团队利用近期建设完成的三亚非相干散射雷达进行了初步的月球成像实验，开展了实验设计和数据处理算法研究。团队使用了两种发射波形——13位巴克码和线性调频脉冲进行月球成像实验，并发展了以下三项关键技术：1、成像核心算法采用了合成孔径成像中常用的距离多普勒成像算法；2、为避免13位巴克码匹配滤波器的旁瓣效应，使用了无旁瓣滤波器；3、为解决“南北模糊”问题，采用了月球正面多普勒南北半球拼接成像技术。

该研究获得了两种类型的成像结果：月球正面全域南北半球拼接图像和局部区域图像（图1）。成像结果的距离分辨率为500米，方位分辨率为1.2公里。结果证明了基于三亚雷达进行月球成像的可行性和可靠性，并积累了地基雷达月球成像实验设计和数据处理的经验，这使得未来利用我国地基雷达进行月球地质学研究成为可能。

研究还发现传统使用的距离多普勒算法虽然计算效率高，但在需要延长相干积累时间以获取更高方位分辨率时，如果相干积累时间过长，就会出现散焦现象，从而导致图像模糊。针对该问题，研究团队提出应用逆合成孔径成像技术中的后向投影算法对月球进行聚焦成像。后向投影算法是一种时域算法，理论上可以在任意长的相干积累时间内实现每个像素点的聚焦成像，但该算法的缺陷是算法复杂度高，因此该研究应用该算法对月球局部区域进行了成像实验。团队使用线性调频脉冲，发射右旋圆极化电磁波，接收左旋圆极化回波，同时使用距离多普勒算法以及后向投影算法，对毕达哥拉斯撞击坑区域进行了成像处理并做了对比分析（图2）。结果表明，后向投影算法可以很好地应用在地基雷达月球成像实验中，并且具有一定的聚焦性能，但该聚焦性能对图像质量提升的程度需要进一步量化；另外，后向投影算法计算效率低，需要发展快速算法来提高计算效率。

相关研究成果发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Remote Sensing上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项（B类）、子午工程以及国家自然科学基金项目的共同资助。

图1 (a)月球正面南北半球拼接成像图；(b)毕达哥拉斯撞击坑区域成像图；(c)阿里斯塔克撞击坑区域成像图

图2 左列是毕达哥拉斯撞击坑区域成像图，右列是左列红色矩形框区域的放大图。(a)、(b)距离多普勒算法成像图，相干积累时间4分钟；(c)、(d)距离多普勒算法成像图，相干积累时间8分钟；(e)、(f)后向投影算法成像图，相干积累时间8分钟

来源：中国科学院地质与地球物理研究所

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