【摘要】：我國“嫦娥三號”(Chang'e 3,CE-3)和“嫦娥四號”(Chang'e 4,CE-4)搭載的探月雷達(dá)(Lunar Penetrating Radar,LPR)是一種裝載在月球巡視器上對月表進(jìn)行實(shí)地登陸觀測的探測方式。其理論基礎(chǔ)是利用天線向探測目標(biāo)發(fā)射高頻電磁波(1MHz~10GHz)進(jìn)行探測,可以高分辨率地探測月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)與月壤厚度。根據(jù)探月雷達(dá)測量的數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)以下科學(xué)和工程研究目標(biāo):獲得沿巡視器路徑的月壤的厚度分布,并可以通過反演描述月壤和月球淺層巖石的電磁參數(shù),為月壤層礦產(chǎn)資源的估算提供依據(jù);更好地了解月球地形特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系,為月球地形和地質(zhì)研究提供科學(xué)數(shù)據(jù);為詳細(xì)研究月球的形成和演化提供科學(xué)依據(jù);為未來選取月球基地的位置提供必要的科學(xué)數(shù)據(jù)。本文針對月壤層的模型建立,電磁響應(yīng)模擬,探月雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理,月壤參數(shù)估計(jì),近月表地質(zhì)解釋等方面進(jìn)行研究。開展了月球淺表層介質(zhì)的建模及其電磁響應(yīng)計(jì)算與分析,為探月雷達(dá)探測機(jī)制和數(shù)據(jù)解釋提供方法技術(shù)支撐;研發(fā)了嫦娥三號探月雷達(dá)數(shù)據(jù)的解算、校正和初步處理的完整流程,對雷達(dá)數(shù)據(jù)中的反射信號進(jìn)行分析;設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了月壤、月巖物理參數(shù)的高精度估計(jì)、反演和分析,量化潛在可開發(fā)的月球資源,幫助分析資源分布規(guī)律;解釋了近月表地質(zhì)界面,有利于確定界面的地質(zhì)意義和介質(zhì)組成,為加深對淺月表層的形成演化認(rèn)識(shí)提供基礎(chǔ),也為進(jìn)一步的月球以及深空探測提供支持。(1)建立了月壤綜合模型。通過將分形技術(shù)應(yīng)用于地形建模,準(zhǔn)確地描述了小區(qū)域的月球地形,引入磨粒技術(shù)來模擬不規(guī)則的異常體,應(yīng)用隨機(jī)等效介質(zhì)描述隨機(jī)介質(zhì)。同時(shí)也考慮了介電常數(shù)隨深度的變化。月壤綜合模型的建立加深了對月壤形成和演化的認(rèn)識(shí)。根據(jù)時(shí)間域有限差分法對建立的月壤綜合模型進(jìn)行電磁響應(yīng)模擬。與簡單模型的仿真結(jié)果相比,月壤綜合模型的仿真結(jié)果包含更多細(xì)節(jié),更加真實(shí)。(2)處理了嫦娥三號探月雷達(dá)數(shù)據(jù)。介紹嫦娥三號著落點(diǎn)的區(qū)域信息,研究我國探月工程所采集的探月雷達(dá)數(shù)據(jù)體,結(jié)合在月球表面采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜環(huán)境以及雷達(dá)儀器本身的影響,分別針對第一通道(CH-1,60MHz)和第二通道(CH-2,500MHz)進(jìn)行處理流程設(shè)計(jì),研究包括帶通濾波以及增益等常規(guī)方法在內(nèi)的處理方法對探月雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的效果,最后得到了清晰的探月雷達(dá)圖像并分析了數(shù)據(jù)存在的問題。(3)研究了嫦娥三號著陸區(qū)月壤層的結(jié)構(gòu)和演變過程。根據(jù)正演模擬的結(jié)果,探討了月壤與基巖接觸面的形態(tài)。隨后,利用F-K(頻率-波數(shù))濾波突出了月壤和基巖的接觸面。根據(jù)探月雷達(dá)第二通道數(shù)據(jù)能量的分布對著陸區(qū)月壤層進(jìn)行分層。通過綜合考慮月球的演變歷史,區(qū)域地質(zhì)情況,特別是探月雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)果,推斷了嫦娥三號著陸區(qū)月壤層的演變過程。(4)估計(jì)了月壤的電性參數(shù)和鐵鈦含量。從理論上證明了跟據(jù)兩組收發(fā)距不同的雷達(dá)數(shù)據(jù),利用兩者對同一個(gè)異常體反射時(shí)間的不同,從而推斷介質(zhì)介電常數(shù)的方法具有可行性。針對一個(gè)簡單模型和一個(gè)月壤復(fù)雜模型,利用該參數(shù)估計(jì)方法,反推出各異常體的位置和模型的介質(zhì)參數(shù),得到結(jié)果與實(shí)際模型一致。利用探月雷達(dá)第二通道的兩套收發(fā)距不同的數(shù)據(jù),得到了嫦娥三號著陸點(diǎn)月壤的介電常數(shù)。Apollo計(jì)劃的成果給出,介電常數(shù)與月壤的密度和鐵鈦含量存在內(nèi)在聯(lián)系,結(jié)合估計(jì)得到的月壤介電常數(shù),可以估算得到月壤的鐵鈦含量。(5)定量分析了月壤中孤石的位置和數(shù)量。提出了一種基于局部相似性約束的自適應(yīng)石塊定位方法,該方法利用到了探月雷達(dá)第二通道兩套數(shù)據(jù)之間的相似性。該方法的實(shí)現(xiàn)首先采用基于f-x EMD的傾角濾波器來提取兩個(gè)數(shù)據(jù)中含有信號的波數(shù)分量。然后,計(jì)算濾波后的兩套數(shù)據(jù)之間的局部相似譜。通過利用軟閾值函數(shù),認(rèn)為相似譜中的局部最大值可作為每個(gè)孤石的位置。最后,根據(jù)提取結(jié)果,一方面獲得了月壤的深度,另一方面也揭示了月壤中孤石隨路徑和深度變化的分布信息。進(jìn)一步為嫦娥五號月壤采集提供了先驗(yàn)方法。(6)分析了嫦娥三號著陸點(diǎn)淺月表地質(zhì)結(jié)構(gòu)。嫦娥三號第一通道數(shù)據(jù)探測到了虹灣地區(qū)的淺表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)信噪比較小,為了解決噪聲的限制,本文提出了一種基于shearlet變換的去噪策略。在該策略中,shearlet變換不僅是一種數(shù)據(jù)分析的工具,還可以提高CH-1數(shù)據(jù)的信噪比并突出同相軸。處理后質(zhì)量提高的CH-1數(shù)據(jù)有助于地質(zhì)分層和解釋。在分別獲得淺部和深部的處理數(shù)據(jù)之后,跟蹤處理結(jié)果中的同相軸,得12個(gè)可能的分界面。在評估每個(gè)同相軸后,根據(jù)可靠性對每個(gè)同相軸進(jìn)行判斷和分類。利用探月雷達(dá)數(shù)據(jù)分析淺月表地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了有價(jià)值的地質(zhì)信息,并為未來的月球探測任務(wù)提供了參考。
【圖文】：

2013 年 12 月 2 日，“嫦娥三號”（CE-3）在中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，成為我國第一個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的登月探測器。2013 年 12 月 14 日，“嫦娥三號”在雨海西北部（19.51°W，44.12°N）成功著陸，標(biāo)志著自 1976 年前蘇聯(lián)探測器 Luna 24在危海登陸以來，人造航天器首次返回月球表面[80]。此前，兩個(gè)軌道探測器“嫦娥一號”（CE-1）和“嫦娥二號”（CE-2）作為中國月球探測計(jì)劃（CLEP）第一階段和第二階段的一部分，，分別于 2007 年和 2010 年成功發(fā)射。嫦娥三號任務(wù)作為中國月球探測計(jì)劃的第二階段，將在月球表面實(shí)現(xiàn)探測。嫦娥三號探測器由月球軟著陸探測器和月面巡視探測器（即玉兔號月球車）組成（圖 2.1）。嫦娥三號科學(xué)目標(biāo)包括：（1）著陸區(qū)及其附近的形態(tài)特征和地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查；（2）對著陸區(qū)及其附近的礦物和化學(xué)成分進(jìn)行綜合分析；（3）月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)綜合探測；（4）地球到月球空間環(huán)境和月球表面環(huán)境探測以及以月球?yàn)榛A(chǔ)的天文觀測[81]。為實(shí)現(xiàn)上述探測目標(biāo)，嫦娥三號任務(wù)共選擇了八種儀器，包括著陸器上的降落相機(jī)（LCAM），地形地貌相機(jī)（TCAM），極紫外相機(jī)（EUVC）和月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（MUVT），以及巡視器上的全景相機(jī)（PCAM），粒子激發(fā) X 射線譜儀（APXS），紅外成像光譜儀（VNIS）和探月雷達(dá)（LPR）（圖 2.1）。

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文測量的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)以下科學(xué)和工程研究目標(biāo)：（1）獲得巡視路線上月壤層的厚度分布，并為反演月壤和淺層巖石的電磁參數(shù)以及估算月壤層礦產(chǎn)資源提供依據(jù)；（2）更好地了解月球地形特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，為月球地形形態(tài)和地質(zhì)研究提供科學(xué)依據(jù)；（3）為詳細(xì)研究月球的形成和演變提供科學(xué)依據(jù)；（4）為未來確定月球基地的位置提供必要的科學(xué)依據(jù)。2.2 探月雷達(dá)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探月雷達(dá)是一種在時(shí)間域中利用電磁波進(jìn)行成像的探測方法。工作原理如圖 2.2所示。雷達(dá)將電磁脈沖信號發(fā)射到月球表面，脈沖信號傳播到月壤層和月殼基巖中，當(dāng)脈沖信號遇到不均勻的層位、介質(zhì)分界面和異常巖石塊時(shí)，將會(huì)有反射信號傳回，并被雷達(dá)接收。當(dāng)?shù)玫椒瓷浜蜕⑸湫盘柡螅ㄟ^數(shù)據(jù)處理、分析和反演，可以估計(jì)月壤層的厚度分布以及沿著巡視路徑的月球次表面地質(zhì)結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V476.3;V447.1

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