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“祝融号”火星车次表层雷达干水冰探测类比试验.docx
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“祝融号”火星车次表层雷达干水冰探测类比试验.docx
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1. 引言
火星是太阳系内的类地行星之一,人类从 20 世纪 60 年代开始探索火星,关于火星次
表层水冰/液态水等的探测仍是当前国际深空探测与研究的热点
[1]
。由于表面温度远低于
0 °C,且大气稀薄
[2]
,因此当前的火星表面环境不支持液态水的稳定存在
[3]
。但火星两极的
巨大冰盖、典型的地貌特征和矿物组成均表明火星表面曾经存在大量液态水,这些曾经存
在的液态水可能以水冰的形式存在于地下次表层中
[3–6]
。探地雷达(Ground Penetrating Radar,
GPR)作为一种探测次表层结构和成分的有效工具,现阶段已在月球探测领域得到成功应用
[7–11]
。中国首辆火星车“祝融号”于 2021 年 5 月 22 日在火星北半球的乌托邦平原开始巡视
探索,截至 2021 年 12 月 31 日,累计行驶 1400 m
[12]
。
作为科学荷载之一的火星车次表层穿透雷达(Mars Rover Penetrating Radar, RoPeR)采用
线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)雷达体制,包含两个不同中心频率的通道,其
中高频通道使用一对两两组合的 Vivaldi 天线,可采集 HH, HV, VH 和 VV4 种不同极化通
道的全极化雷达回波信号,工作频率范围为 0.45~2.15 GHz
[13]
,探测深度范围为 3~10
m,垂直方向探测分辨率达厘米级。RoPeR 的主要科学目标之一是探测火星次表层中潜在
的冰,并区分出干冰与水冰,与轨道器探测雷达相比,火星车搭载的次表层探测雷达不受
大气干扰,可与其他多种科学载荷协同工作,已经在着陆点(乌托邦平原)获取了大量的探
测数据,为火星探测提供宝贵的科学资料
[14]
。
基于此,本文搭建了与“祝融号”火星车次表层探测雷达高频通道相同的全极化雷达系
统,之后在实验室内进行了干冰和水冰的室内类比探测试验,并采用[Math Processing
Error]H−α 极化分解方法分析了干冰和水冰的极化散射特性。本文的试验结果初步证明
RoPeR 具备探测和识别火星次表层中干冰与水冰的能力,可为火星实测雷达数据的分析解
译提供参考。
2. RoPeR 系统
天线系统是“祝融号”火星车次表层探测雷达的关键组成部分,其高频通道包括两组发
射天线和接收天线,如图 1(a)所示,发射天线底部距地面 345 mm,接收天线距地面 306
mm,两者水平距离为 420 mm。发射天线和接收天线均由分别正交的 4 个 Vivaldi 天线组
成,其目的是确保 H 和 V 两个极化通道的天线相位中心一致,单个天线宽 280 mm,高
170 mm,如图 1(b)所示。
作电压时易产生低压放电,造成绝缘介质击穿、信号功率下降和电子器件永久损坏等危害
[17]
。因此,为了避免过高的瞬时工作电压,“祝融号”次表层探测雷达采用脉宽为 4 ms 的线
性调频信号作为发射源,发射功率为+27 dBm,接收灵敏度为–120 dBm,功耗为 26.5
W
[13]
。
3. 试验设置
本文搭建了与火星次表层探测雷达高频通道相似的雷达探测系统,并在实验室内进行
了干冰和水冰的雷达探测类比试验。图 2 为本文建立的步进频率极化雷达系统,该系统由
与 RoPeR 相同的 Vivaldi 天线阵列、矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)、直线
模组以及 PC 控制单元等部件组成。VNA 通过同轴传输线与发射天线与接收天线的端口相
连,发射和采集电磁波信号,并通过切换同轴传输线与不同天线端口的连接实现不同极化
方向的信号采集。PC 端控制直线模组精准移动天线位置,并同步控制 VNA 实现雷达数据
的采集和储存。
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