一種探測(cè)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種探測(cè)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明公開了一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)實(shí)現(xiàn)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的系統(tǒng)和方法，所述雷達(dá)系統(tǒng)包含兩個(gè)探測(cè)通道，其中，第一通道工作在HF/VHF波段，采用一發(fā)一收的工作模式，用于探測(cè)月球次表層巖石的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；第二通道工作在UHF波段，采用一發(fā)二收的工作模式，能夠精確的探測(cè)月球月壤分層結(jié)構(gòu)的厚度。超寬帶無載波脈沖雷達(dá)安裝在月球車上，隨著月球車的移動(dòng)，兩個(gè)探測(cè)通道交替工作，分別輻射和接收超寬帶無載波脈沖，完成月壤厚度分布和月球次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。探測(cè)數(shù)據(jù)回傳到地球后，經(jīng)過濾波和放大等處理后，在顯示屏幕上繪制出月球次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月壤分層結(jié)構(gòu)的剖面圖。
【專利說明】一種探測(cè)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，人類對(duì)月球內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造和月壤厚度分布等信息還知之甚少。月球部分地區(qū)I?2km深度范圍內(nèi)已知的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息主要來源于美國(guó)Apollo計(jì)劃的探測(cè)結(jié)果。1973年，Apollo-17號(hào)飛船搭載了一套多波段穿透探測(cè)雷達(dá)，即ALSE月球探測(cè)雷達(dá)(ApolloLunar Sounder Experiment) ,ALSE雷達(dá)對(duì)月球部分地區(qū)進(jìn)行了累計(jì)13個(gè)小時(shí)的在軌探測(cè)，探測(cè)到I?2km深度范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。但由于受當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展水平的限制，該雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果存在諸多缺陷，主要表現(xiàn)在信號(hào)質(zhì)量差、信噪比低、沒有相位信息、深度分辨率低、探測(cè)時(shí)間短等方面。例如，雷達(dá)的深度分辨率約為150米，不能給出月壤的厚度分布信息。另外，由于雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄在光學(xué)膠片上，需要NASA專門研制的設(shè)備才能讀出，導(dǎo)致探測(cè)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理工作極其困難。截止目前，美國(guó)僅公開了 ALSE雷達(dá)對(duì)月球陰影區(qū)部分地區(qū)的探測(cè)結(jié)果。從已經(jīng)公開的數(shù)據(jù)看，盡管該雷達(dá)對(duì)月殼地質(zhì)層的組成及其層厚的分辨能力比較差，但ALSE雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果還是為人類更好地認(rèn)識(shí)月球提供了一些非常重要的信息。
[0003]日本于九十年代開始研制的探月飛船，即月神號(hào)(SELENE)飛船，搭載了LRS探月雷達(dá)(Lunar Radar Sounder),用于實(shí)現(xiàn)月面下4_5千米深度范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)。SELENE-LRS雷達(dá)工作于4?6MHz頻段，線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，脈沖寬度為200us，發(fā)射脈沖功率800W，功耗和重量分別為50W和24kg，天線采用偶極子形式。SELENE-LRS的主要用途為:
(I)實(shí)現(xiàn)月面下l_5km月殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)；(2)測(cè)量月球環(huán)境下的宇宙噪聲。SELENE月球探測(cè)飛船于2007年9月14號(hào)發(fā)射升空，軌道高度100km，2007年11月20日LRS雷達(dá)開始工作。LRS雷達(dá)系統(tǒng)給出了月面下數(shù)百米至千米量級(jí)范圍內(nèi)的月殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布，但地質(zhì)層的分辨率比較差。
[0004]可見，目前已經(jīng)用于月球次表層結(jié)構(gòu)探測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)，都安裝在月球外空的軌道探測(cè)器上，受設(shè)備安裝空間和探測(cè)技術(shù)的限制，探測(cè)結(jié)果分辨率較低。為了提高探測(cè)月壤厚度和月球次表層結(jié)構(gòu)的深度和分辨率，需要研制能夠在月球表面進(jìn)行實(shí)地就位探測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)，要求雷達(dá)具有較高的探測(cè)深度和分辨率指標(biāo)，并能夠同時(shí)探測(cè)月壤的分層結(jié)構(gòu)和月球次表層的巖石結(jié)構(gòu)，為研究月球地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、月球形成和演化史提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地精確探測(cè)，本發(fā)明提供一種利用安裝在月球車上的超寬帶無載波脈沖雷達(dá)實(shí)現(xiàn)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的方法及系統(tǒng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:控制器、第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、第一通道接收機(jī)、第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、第二通道接收機(jī)以及多付超寬帶天線，其中:
[0007]所述控制器，用于輸出時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)脈沖信號(hào)，以控制所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、所述第一通道接收機(jī)、所述第二通道接收機(jī)分別進(jìn)行超寬帶無載波脈沖信號(hào)的發(fā)射和反射脈沖信號(hào)的接收，并為所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供電源；
[0008]所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)與所述控制器和第一通道超寬帶發(fā)射天線相連接，用于在所述控制器的控制下輸出HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第一通道超寬帶發(fā)射天線將所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中；
[0009]所述第一通道接收機(jī)與所述控制器和第一通道超寬帶接收天線相連接，用于在所述控制器的控制下接收所述第一通道超寬帶接收天線接收到的對(duì)應(yīng)于所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)；
[0010]所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)與所述控制器和第二通道超寬帶發(fā)射天線相連接，用于在所述控制器的控制下輸出UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第二通道超寬帶發(fā)射天線將所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月壤中；
[0011 ] 所述第二通道接收機(jī)與所述控制器、第二通道超寬帶接收天線A和第二通道超寬帶接收天線B相連接，用于在所述控制器的控制下，接收所述第二通道超寬帶接收天線A和所述第二通道超寬帶接收天線B接收到的對(duì)應(yīng)于所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的方法，所述方法包括以下步驟:
[0013]步驟1:隨著月球車的移動(dòng)，在雷達(dá)控制器的控制下，第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第一通道超寬帶發(fā)射天線.[0014]步驟2:所述第一通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第一通道超寬帶接收天線接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第一通道接收機(jī)；
[0015]步驟3:所述第一通道接收機(jī)對(duì)接收到的所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)；
[0016]步驟4:在所述雷達(dá)控制器的控制下，第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第二通道超寬帶發(fā)射天線；
[0017]步驟5:所述第二通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第二通道超寬帶接收天線A和第二通道超寬帶接收天線B接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第二通道接收機(jī)；
[0018]步驟6:所述第二通道接收機(jī)的兩個(gè)接收通道分別接收從兩個(gè)接收天線傳輸來的反射脈沖信號(hào)，對(duì)所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，分別儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)；
[0019]步驟7:隨著月球車的移動(dòng)，重復(fù)所述步驟I?6，完成對(duì)于月球車行進(jìn)路線上月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)；
[0020]步驟8:月球車將所探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍颍詡尾噬娖綀D、灰色電平圖或波形堆積圖方式顯示，或繪出月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月壤的剖面圖，并根據(jù)電磁波傳播理論得到月壤和月巖的介電常數(shù)。
[0021]本發(fā)明的積極效果或優(yōu)點(diǎn)為:本發(fā)明提出一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)實(shí)現(xiàn)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的方法，可以將該探測(cè)雷達(dá)搭載于月球車上對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地探測(cè)。該雷達(dá)采用兩個(gè)探測(cè)通道，Chl探測(cè)通道工作在HF/VHF波段，對(duì)月巖的探測(cè)深度大于100米，分辨率為米級(jí)；Ch2探測(cè)通道工作在UHF波段，對(duì)月壤的探測(cè)深度大于30米，分辨率小于30厘米。同時(shí)，Ch2探測(cè)通道采用一發(fā)二收的工作模式，利用電磁波傳播理論可以精確地反演出月壤分層結(jié)構(gòu)的深度和介電常數(shù)。通過探測(cè)，能夠獲取月壤和月球次表層地質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)特性，用于反演月壤及月殼淺層巖石的電磁參數(shù)，為估計(jì)礦物資源含量提供依據(jù)，并對(duì)于研究月球地質(zhì)學(xué)、月球形成和演化史具有重要的科學(xué)意義。超寬帶無載波脈沖雷達(dá)具有工作頻帶寬、重量輕、精度高、對(duì)月壤破壞較小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的工作示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0025]圖4為本發(fā)明Chl脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0026]圖5為本發(fā)明Chl接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0027]圖6為本發(fā)明Ch2接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0028]圖7為本發(fā)明Chl發(fā)射和接收天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖8為本發(fā)明Ch2發(fā)射和接收天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)地探測(cè)與測(cè)量。
[0032]圖1為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的工作示意圖，如圖1所示，本發(fā)明的探測(cè)系統(tǒng)裝載在月球車上，其通過安裝在月球車外的超寬帶天線輻射脈沖信號(hào)、并接收月壤和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射的脈沖信號(hào)。
[0033]本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是包含兩個(gè)探測(cè)通道，其中，第一通道(Chl)工作在HF/VHF波段，采用一發(fā)一收的工作模式，用于探測(cè)月球次表層巖石的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；第二通道(Ch2)工作在UHF波段，采用一發(fā)二收的工作模式，能夠精確的探測(cè)月球月壤分層結(jié)構(gòu)的厚度，即本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)采用雙通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、多通道接收機(jī)、多付超寬帶天線。其中，雙通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)輸出的脈沖信號(hào)幅度分別為1000伏和400伏，脈沖寬度分別為5納秒和I納秒。[0034]圖2為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖，如圖2所示，所述探測(cè)系統(tǒng)包括控制器
1、第一通道(Chl)脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)2、第一通道(Chl)接收機(jī)3、第二通道(Ch2)脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)4、第二通道(Ch2)接收機(jī)5以及多付超寬帶天線出?10)，其中:
[0035]所述控制器1，用于輸出時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)脈沖信號(hào)，以控制所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)2、所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)4這兩個(gè)通道的發(fā)射機(jī)和所述第一通道接收機(jī)3、所述第二通道接收機(jī)5這兩個(gè)通道的接收機(jī)分別進(jìn)行超寬帶無載波脈沖信號(hào)的發(fā)射和反射脈沖信號(hào)的接收，并為所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供電源；
[0036]所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)2與所述控制器I和第一通道超寬帶發(fā)射天線6相連接，用于在所述控制器I的控制下輸出HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第一通道超寬帶發(fā)射天線6將所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中；
[0037]所述第一通道接收機(jī)3與所述控制器I和第一通道超寬帶接收天線7相連接，用于在所述控制器I的控制下接收所述第一通道超寬帶接收天線7接收到的對(duì)應(yīng)于所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)；
[0038]所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)4與所述控制器I和第二通道超寬帶發(fā)射天線8相連接，用于在所述控制器I的控制下輸出UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第二通道超寬帶發(fā)射天線8將所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月壤中；
[0039]所述第二通道接收機(jī)5是一種雙通道接收機(jī)，其與所述控制器I以及第二通道的兩個(gè)超寬帶接收天線:第二通道超寬帶接收天線A9和第二通道超寬帶接收天線BlO相連接，用于在所述控制器I的控制下，接收所述第二通道超寬帶接收天線A9和所述第二通道超寬帶接收天線BlO接收到的對(duì)應(yīng)于所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)。
[0040]其中，所述控制器1、脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)均安裝于月球車的內(nèi)部，所有超寬帶天線安裝于月球車的外部。在地面遙控指令的控制下，隨著月球車的移動(dòng)，上述兩個(gè)通道交替工作，分別輻射和接收超寬帶無載波脈沖，完成對(duì)于月壤和月球次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。
[0041]圖3為本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)組成框圖，如圖3所示，所述控制器I進(jìn)一步包括:雷達(dá)控制器11、總線接口電路12、供電電源電路13、時(shí)鐘電路14、配置電路15、第一通道(Chl)信號(hào)輸入電路16、第二通道(Ch2)信號(hào)輸入電路17，其中:
[0042]所述雷達(dá)控制器11實(shí)現(xiàn)為一 FPGA模塊，其控制所述發(fā)射機(jī)2，4和接收機(jī)3，5的工作，以對(duì)第一通道和第二通道的反射脈沖信號(hào)進(jìn)行高速采集接收，并通過所述總線接口電路12與月球車綜合電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)注入及探測(cè)數(shù)據(jù)輸出；另外，在所述雷達(dá)控制器11內(nèi)，還對(duì)所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)疊加去除隨機(jī)干擾噪聲；
[0043]所述供電電源電路13用于對(duì)所述月球車提供的電源進(jìn)行限流、濾波和穩(wěn)壓，從而得到所述雷達(dá)控制器11、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等單元所需要的供電電源；
[0044]所述時(shí)鐘電路14用于為所述雷達(dá)控制器11提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)；
[0045]所述第一通道和第二通道信號(hào)輸入電路16、17進(jìn)一步包括輸入信號(hào)偏置電路和程控比較電平產(chǎn)生電路，用于接收反射脈沖信號(hào)。
[0046]圖4為本發(fā)明Chl脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖，如圖4所示，所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)2包括驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路21和多級(jí)雪崩電路22，所述控制器I發(fā)出的發(fā)射機(jī)觸發(fā)脈沖信號(hào)，通過所述驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路21整形和濾波后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)雪崩三極管的窄脈沖，從而觸發(fā)多級(jí)雪崩電路22產(chǎn)生高幅度超寬帶電壓脈沖信號(hào)，并饋給所述第一通道超寬帶發(fā)射天線6。
[0047]所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)4與所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)2的工作原理相同，其僅通過調(diào)整電路參數(shù)，使其產(chǎn)生UHF超寬帶電壓脈沖信號(hào)，并饋給所述第二通道超寬帶發(fā)射天線8。
[0048]圖5為本發(fā)明Chl接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖，如圖5所示，所述Chl接收機(jī)3依次包括限幅模塊34、低通濾波器33、數(shù)控衰減模塊32以及放大模塊31，所述第一通道接收機(jī)3接收來自所述第一通道超寬帶接收天線7接收到的月面分層結(jié)構(gòu)反射脈沖信號(hào)后，依次經(jīng)過限幅、濾波、衰減以及放大后，發(fā)送給所述控制器1，經(jīng)所述控制器I轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0049]圖6為本發(fā)明Ch2接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖，如圖6所示，所述第二通道接收機(jī)5包括兩個(gè)接收通道，每個(gè)接收通道依次包括限幅模塊53、數(shù)控衰減模塊52以及放大模塊51 ；所述第二通道接收機(jī)5接收來自所述第二通道超寬帶接收天線A9和所述第二通道超寬帶接收天線BlO接收到的月面分層結(jié)構(gòu)反射脈沖信號(hào)后，依次經(jīng)過限幅、衰減以及放大后，發(fā)送給所述控制器I，經(jīng)所述控制器I轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0050]圖7為本發(fā)明Chl天線的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，所述第一通道超寬帶發(fā)射天線6和所述第一通道超寬帶接收天線7為超寬帶單極天線，安裝在月球車的尾部，其中所述第一通道超寬帶發(fā)射天線6用于輻射脈沖信號(hào)；所述第一超寬帶接收天線7用于接收月面次表層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給所述第一通道接收機(jī)3。所述第一超寬帶發(fā)射天線6和所述第一超寬帶接收天線7的工作頻率為30?90MHz，電壓駐波比小于3.0。
[0051]圖8為本發(fā)明Ch2天線的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，所述第二通道超寬帶發(fā)射天線8、所述第二通道超寬帶接收天線A9和所述第二通道超寬帶接收天線BlO都是超寬帶偶極子天線，安裝在月球車的底部，其中所述第二通道超寬帶發(fā)射天線8用于輻射脈沖信號(hào)；所述第二通道超寬帶接收天線A9和所述第二通道超寬帶接收天線BlO用于接收月壤分層產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給所述第二通道接收機(jī)3。所述第二通道超寬帶發(fā)射天線8、所述第二通道超寬帶接收天線9和所述第二通道超寬帶接收天線10的工作頻率為250?750MHz，電壓駐波比小于2.0。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的方法，如圖1所示，所述方法包括以下步驟:
[0053]步驟1:隨著月球車的移動(dòng)，在雷達(dá)控制器的控制下，第一通道Chl脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第一通道超寬帶發(fā)射天線；
[0054]步驟2:所述第一通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第一通道超寬帶接收天線接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第一通道Chl接收機(jī)；
[0055]步驟3:所述第一通道Chl接收機(jī)對(duì)接收到的所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)；
[0056]步驟4:在所述雷達(dá)控制器的控制下，第二通道Ch2脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第二通道超寬帶發(fā)射天線；[0057]步驟5:所述第二通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第二通道超寬帶接收天線A和第二通道超寬帶接收天線B接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第二通道Ch2接收機(jī)；
[0058]步驟6:所述第二通道Ch2接收機(jī)的兩個(gè)接收通道分別接收從兩個(gè)接收天線傳輸來的反射脈沖信號(hào)，對(duì)所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，分別儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)；
[0059]步驟7:隨著月球車的移動(dòng)，重復(fù)步驟I?6，即可完成對(duì)于月球車行進(jìn)路線上月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)；
[0060]步驟8:月球車將所探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍?，以偽彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖方式顯示，并可繪出月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月壤的剖面圖，還可以根據(jù)電磁波傳播理論得到月壤和月巖的介電常數(shù)。
[0061]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括:控制器、第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、第一通道接收機(jī)、第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、第二通道接收機(jī)以及多付超寬帶天線，其中: 所述控制器，用于輸出時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)脈沖信號(hào)，以控制所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)、所述第一通道接收機(jī)、所述第二通道接收機(jī)分別進(jìn)行超寬帶無載波脈沖信號(hào)的發(fā)射和反射脈沖信號(hào)的接收，并為所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供電源； 所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)與所述控制器和第一通道超寬帶發(fā)射天線相連接，用于在所述控制器的控制下輸出HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第一通道超寬帶發(fā)射天線將所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中； 所述第一通道接收機(jī)與所述控制器和第一通道超寬帶接收天線相連接，用于在所述控制器的控制下接收所述第一通道超寬帶接收天線接收到的對(duì)應(yīng)于所述HF/VHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)； 所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)與所述控制器和第二通道超寬帶發(fā)射天線相連接，用于在所述控制器的控制下輸出UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并通過所述第二通道超寬帶發(fā)射天線將所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月壤中； 所述第二通道接收機(jī)與所述控制器、第二通道超寬帶接收天線A和第二通道超寬帶接收天線B相連接，用于在所述控制器的控制下，接收所述第二通道超寬帶接收天線A和所述第二通道超寬帶接收天線B接收到的對(duì)應(yīng)于所述UHF超寬帶無載波脈沖信號(hào)的反射脈沖信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器、脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)均安裝于月球車的內(nèi)部，所有超寬帶天線安裝于月球車的外部，在地面遙控指令的控制下，隨著月球車的移動(dòng)，兩 個(gè)通道交替工作，分別輻射和接收超寬帶無載波脈沖，完成對(duì)于月壤和月球次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器進(jìn)一步包括:雷達(dá)控制器、總線接口電路、供電電源電路、時(shí)鐘電路、配置電路、第一通道信號(hào)輸入電路、第二通道信號(hào)輸入電路，其中: 所述雷達(dá)控制器控制所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作，以對(duì)第一通道和第二通道的反射脈沖信號(hào)進(jìn)行高速采集接收，并通過所述總線接口電路與月球車綜合電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)注入及探測(cè)數(shù)據(jù)輸出； 所述供電電源電路用于對(duì)所述月球車提供的電源進(jìn)行限流、濾波和穩(wěn)壓，從而得到所述雷達(dá)控制器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)所需要的供電電源； 所述時(shí)鐘電路用于為所述雷達(dá)控制器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)； 所述第一通道和第二通道信號(hào)輸入電路進(jìn)一步包括輸入信號(hào)偏置電路和程控比較電平產(chǎn)生電路，用于接收反射脈沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)控制器還對(duì)所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)疊加去除隨機(jī)干擾噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)包括驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路和多級(jí)雪崩電路，所述控制器發(fā)出的發(fā)射機(jī)觸發(fā)脈沖信號(hào)，通過所述驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路整形和濾波后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)雪崩三極管的窄脈沖，從而觸發(fā)多級(jí)雪崩電路產(chǎn)生高幅度超寬帶電壓脈沖信號(hào)，并饋給所述第一通道超寬帶發(fā)射天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)與所述第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)的工作原理相同，其僅通過調(diào)整電路參數(shù)，使其產(chǎn)生UHF超寬帶電壓脈沖信號(hào)，并饋給所述第二通道超寬帶發(fā)射天線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一通道接收機(jī)依次包括限幅模塊、低通濾波器、數(shù)控衰減模塊以及放大模塊，所述第一通道接收機(jī)接收來自所述第一通道超寬帶接收天線接收到的月面分層結(jié)構(gòu)反射脈沖信號(hào)后，依次經(jīng)過限幅、濾波、衰減以及放大后，發(fā)送給所述控制器，經(jīng)所述控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二通道接收機(jī)包括兩個(gè)接收通道，每個(gè)接收通道依次包括限幅模塊、數(shù)控衰減模塊以及放大模塊；所述第二通道接收機(jī)接收來自所述第二通道超寬帶接收天線A和所述第二通道超寬帶接收天線B接收到的月面分層結(jié)構(gòu)反射脈沖信號(hào)后，依次經(jīng)過限幅、衰減以及放大后，發(fā)送給所述控制器，經(jīng)所述控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一通道超寬帶發(fā)射天線和所述第一通道超寬帶接收天線為超寬帶單極天線，安裝在月球車的尾部；所述第二通道超寬帶發(fā)射天線、所述第二通道超寬帶接收天線A和所述第二通道超寬帶接收天線B為超寬帶偶極子天線，安裝在月球車的底部。
10.一種利用超寬帶無載波脈沖雷達(dá)對(duì)月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟1:隨著月球車的移動(dòng)，在雷達(dá)控制器的控制下，第一通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第一通道超寬帶發(fā)射天線；步驟2:所述第一通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第一通道超寬帶接收天線接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第一通道接收機(jī)； 步驟3:所述第一通道接收機(jī)對(duì)接收到的所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)； 步驟4:在所述雷達(dá)控制器的控制下，第二通道脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生超寬帶無載波脈沖信號(hào)，并將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)饋給第二通道超寬帶發(fā)射天線； 步驟5:所述第二通道超寬帶發(fā)射天線將所述超寬帶無載波脈沖信號(hào)輻射到月球次表層中，第二通道超寬帶接收天線A和第二通道超寬帶接收天線B接收月球次表層結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)處產(chǎn)生的反射脈沖信號(hào)，并發(fā)送給第二通道接收機(jī)； 步驟6:所述第二通道接收機(jī)的兩個(gè)接收通道分別接收從兩個(gè)接收天線傳輸來的反射脈沖信號(hào)，對(duì)所述反射脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、采樣，并將所述反射脈沖信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，分別儲(chǔ)存在月球車的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)； 步驟7:隨著月球車的移動(dòng)，重復(fù)所述步驟I~6，完成對(duì)于月球車行進(jìn)路線上月壤厚度和月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)； 步驟8:月球車將所探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍?，以偽彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖方式顯示，或繪出月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月壤的剖面圖，并根據(jù)電磁波傳播理論得到月壤和月巖的介電常數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01B7/06GK103630943SQ201310050128
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月8日
【發(fā)明者】方廣有, 周斌, 紀(jì)奕才, 張群英, 沈紹祥, 管洪飛, 唐傳軍, 李玉喜, 盧偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所