“祝融号”火星车次表层雷达干/水冰探测类比试验

刘 海 李鉴辉 孟 旭 周 斌 方广有

①(广州大学土木工程学院 广州 510006)

②(中国科学院空天信息创新研究院 北京 100094)

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H −α极化分解方法分析了干冰和水冰的极化散射特性。……