李鳴遠等-IEEE TGRS＆RS：地基雷達月球成像技術研究

地基雷達是對月球甚至太陽系其它天體進行有效遙感探測的方法之一，可以提供許多關于月球風化層實體特性的寶貴資訊，如月球表面和次表面岩石豐度、風化層厚度、鐵和钛含量、撞擊熔體分布、正面大尺度地形圖等。目前地基雷達月球成像主要通過美國的Arecibo和Haystack這兩個雷達進行，國内先前因缺少合适的裝置和相關實驗設計及資料處理經驗，相關工作一直較少。近期國内對地基雷達月球探測方面已有一些初步研究，如基于喀什深空站和昆明40米射電望遠鏡的連續波信号雙基地探月試驗，基于曲靖非相幹散射雷達的巴克碼脈沖信号自發自收探月實驗等，但無論是實驗設計還是算法研究方面，仍有許多問題有待解決。

針對上述問題，中國科學院地質與地球實體研究所地球與行星實體重點實驗室非相幹散射雷達項目組利用近期建設完成的三亞非相幹散射雷達進行了初步的月球成像實驗，開展了實驗設計和資料處理算法研究。項目組使用了兩種發射波形-13位巴克碼和線性調頻脈沖進行月球成像實驗，并發展了以下三項關鍵技術：（1）成像核心算法采用了合成孔徑成像中常用的距離多普勒成像算法；（2）為避免13位巴克碼比對濾波器的旁瓣效應，使用了無旁瓣濾波器；（3）為解決“南北模糊”問題，采用了月球正面多普勒南北半球拼接成像技術。

研究獲得了兩種類型的成像結果：月球正面全域南北半球拼接圖像和局部區域圖像（圖1）。成像結果的距離分辨率為500米，方位分辨率為1.2公裡。結果證明了基于三亞雷達進行月球成像的可行性和可靠性，并積累了地基雷達月球成像實驗設計和資料處理的經驗，這使得未來利用大陸地基雷達進行月球地質學研究成為可能。

圖1 (a)月球正面南北半球拼接成像圖；(b)畢達哥拉斯撞擊坑區域成像圖；(c)阿裡斯塔克撞擊坑區域成像圖

研究還發現傳統使用的距離多普勒算法雖然計算效率高，但在需要延長相幹積累時間以擷取更高方位分辨率時，如果相幹積累時間過長，就會出現散焦現象，進而導緻圖像模糊。

針對該問題，項目組提出應用逆合成孔徑成像技術中的後向投影算法對月球進行聚焦成像。後向投影算法是一種時域算法，理論上可以在任意長的相幹積累時間内實作每個像素點的聚焦成像，但該算法的缺陷是算法複雜度高，是以本文應用該算法對月球局部區域進行了成像實驗。項目組使用線性調頻脈沖，發射右旋圓極化電磁波，接收左旋圓極化回波，同時使用距離多普勒算法以及後向投影算法，對畢達哥拉斯撞擊坑區域進行了成像處理并做了對比分析（圖2）。

結果表明，後向投影算法可以很好地應用在地基雷達月球成像實驗中，并且具有一定的聚焦性能，但該聚焦性能對圖像品質提升的程度需要進一步量化，這是後續工作需要關注的内容；另外，後向投影算法計算效率低，需要發展快速算法來提高計算效率。

圖2 左列是畢達哥拉斯撞擊坑區域成像圖，右列是左列紅色矩形框區域的放大圖。(a、b)距離多普勒算法成像圖，相幹積累時間4分鐘；(c、d)距離多普勒算法成像圖，相幹積累時間8分鐘；(e、f)後向投影算法成像圖，相幹積累時間8分鐘

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研究成果發表于國際學術期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Remote Sensing上。該研究得到中國科學院戰略性先導科技專項（B類）（XDB4100000）、子午工程以及國家自然科學基金（41427901）項目的共同資助。

1.李鳴遠，樂新安*，王永輝，王俊逸，丁鋒，Juha Vierinen，張甯，王中秋，甯百齊，趙必強，曾令旗. Moon Imaging Technique and Experiments Based on Sanya Incoherent Scatter Radar [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022, 60: 1-14. DOI: 10.1109/TGRS.2022.3167156

2.李鳴遠，樂新安*，丁鋒，甯百齊，王俊逸，張甯，羅俊浩，黃麗佳，王永輝，王中秋. Focused Lunar Imaging Experiment Using the Back Projection Algorithm Based on Sanya Incoherent Scatter Radar [J]. Remote Sensing，2022, 14: 2048. DOI: 10.3390/rs14092048

美編：陳菲菲

校對：姜雪蛟 周星星