一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统及方法

一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统及方法。该系统中，天线电扫描组件选择N个天线其中之一作为发射天线，其余N?1个天线作为接收天线，控制器控制发射机生成超宽带脉冲信号，并将该超宽带脉冲信号通过发射天线进行发射；该超宽带脉冲信号在月壤表面和月壤内部分层面上会产生反射回波信号，其他N?1个接收天线在天线电扫描组件控制下依次接收月壤分层结构的回波信号并经由接收机接收后发送至控制器进行存储；当遍历所有天线均作为发射天线进行探测之后，便能获得天线阵下方区域月壤分层结构的一次完整的探测数据，通过对探测数据进行处理，就可以获取一幅探测区域内月壤分层结构图像。
【专利说明】
-种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统及方法
技术领域
[0001] 本发明设及电子行业雷达技术领域，尤其设及一种采用超宽带雷达技术探测月壤 分层结构的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，人类对月球表面月壤厚度的分布信息还知之甚少。尽管上世纪六十年代和 屯十年代美国的Apollo计划和苏联的Luna计划向月球发射了包括载人登月在内的数十个 探测器，但由于受当时科技发展水平尤其是高分辨率成像探测雷达技术的限制，美国和苏 联并没有对月球的月壤厚度分布及其结构实施有效的探测。仅利用探杆或取样器对个别着 陆点2米深度左右范围内的月壤厚度进行了测量或取样，例如Apollo 15，Apollo 16和 Apollo 17等，其中1973年发射的Apollo 17飞船是美国Apollo计划的最后一次探测任务。
[0003] 在Apollo 17号飞船的留轨舱上搭载了一套多波段的月球次表层地质结构探测雷 达，即AL沈月球探测雷达(Apollo Lunar Sounder E邱erimentKAL沈雷达包括S个探测频 段，分别为:HFl频段、HF2频段、VHF频段。ALSE雷达对月球部分地区进行了累计13个小时的 在轨探测，探测到1~2km深度范围内的地质结构数据。但雷达的探测分辨率约为150米，不 能探测月壤的厚度（月壤的厚度约为数米至十数米）。
[0004] 2007年9月14号日本发射了月神号（S化E肥）飞船，搭载了LRS探月雷达化Unar Radar Sounder)，工作频段为4-6MHZ，实现月面下4-5千米深度范围内地质结构探测。LRS雷 达系统给出了月面下数百米至千米量级范围内的月壳地质结构分布，但地质层的分辨率比 较差。与Apollo 17 ALSE雷达系统类似，由于LRS的工作带宽仅为2MHz，雷达分辨率约为75 米，不能够分辨月壤的厚度。
[0005] 美国于2007年宣布了重返月球计划后，NASA开始研制月球巡视探测器（月球车）。 NASA研制出的JSC-Chariot和K-IOB月球巡视探测器在野外试验测试场景。在JSC-Chariot 和K-IOB月面巡视探测器上均计划装载超宽带表层穿透成像雷达系统（探月雷达），两套雷 达系统均采用了无载频毫微秒脉冲信号体制。JSC-Chariot巡视器上搭载的Strata雷达系 统工作频率范围为200-600MHZ、发射机输出脉冲宽度约为2.5113、幅度约10(^，用于月面下 较深层地质结构探测;K-IOB巡视器上搭载的雷达系统工作频率范围为600-1200MHZ、发射 机输出脉冲宽度约为1.25ns、幅度约20V，用于月壤厚度及月面下较浅层地质结构的高分辨 率探测，探测分辨率约5cm。
[0006] 在欧空局化SA)支持下，法国空间研究中屯、（C肥S)等单位对火星车雷达(WISDOM) 进行了近十年的研究（2000年启动研究工作），最近研制出原理样机，该雷达采用SFCW信号 体制，工作频段为0.5-3G化，发射机输出功率为10地m-20地m，收发天线为Vivaldi型天线。
[0007] 从WISDOM雷达对冰川厚度的探测结果来看，该雷达对冰川的探测深度约为6米，在 0-1米深度范围内，信号质量极差，几乎看不到任何分层信息。运是因为在WISDOM系统设计 中，为了保护接收机并抑制发射机的直接泄露信号和地表面产生的反射波(二者合称为直 达波信号），在接收机前端加了选通开关，选通开关的延迟时间为〇-15ns。尽管在接收机前 端增加口开关电路可W抑制直达波干扰，但存在W下缺陷：（1)存在浅层探测盲区；（2)接收 到的频率域回波信号经过逆傅里叶变换（IFFT)后，时域信号存在严重的副瓣干扰，信号随 时间振荡严重，地下弱目标的回波信号完全淹没在副瓣干扰之中，不利于对地下弱目标的 探测，尤其不利于探测月壤分层界面，运是因为月壤在经年累月的缓慢形成过程中，各分层 之间的电性差异(主要是介电常数差异)很小。
[0008] 因此，尽管SFCW信号体制在理论上存在一定的优越性，但由于在实际电路实现时， 对于收发之间的直达波抑制能力较差，同时，接收信号经IFFT后产生的副瓣干扰信号强，W 及存在浅层盲区，导致实际探测结果差，远不如无载频脉冲信号体制。
[0009] 2013年12月，我国发射成功了 "雜娥=号"探测器，其携带的"玉兔号"月球车上安 装了一套测月雷达，用来测试月壤结构和月球次表层地质结构。测月雷达有两个通道，分别 工作在30-90MHZ和250-750MHZ，均采用了无载频毫微秒脉冲信号体制。低频通道用于探测 月球次表层地质结构，探测深度大于100米，分辨率小于3米;高频通道用于探测月壤深度和 分层结构，探测深度大于30米，分辨率小于20厘米。测月雷达在月面工作了3个多月，获取了 大量的科学探测数据，成功完成了探测月球车行走轨迹下月壤深度和月球次表层地质结构 的科学任务。
[0010]
【申请人】发现目前已经用于探测月球±壤分层结构的雷达系统，都安装在月球外空 的轨道探测器或月球车上，采用收发共用天线或1发1收天线，随着平台的移动进行探测。如 果搭载平台是降落到月球表面固定不动的着陆器平台，采用收发共用天线或1发1收天线， 只能探测一个探测点的信息，很难分析和评估整个着陆区域月壤的深度和分层结构信息。 为了适用着陆器平台的探测需求，并提高探测月壤结构的深度和分辨率，需要研制能够安 装在着陆器上一发多收的雷达系统，在月球表面对着陆区域月壤结构进行实地就位探测， 要求雷达具有较高的探测深度和分辨率指标，并能够精确探测月壤的厚度、分层W及介电 常数信息，为研究月球地质学、矿物学、月球形成和演化史提供科学数据。

【发明内容】

[0011] (一)要解决的技术问题
[0012] 针对上述问题，本发明提供了一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构系统的 方法，来提高月壤探测的准确性。
[OOK](二很术方案
[0014]根据本发明的一个方面，本发明提供了一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结 构的系统，其包括:控制器、天线电扫描组件、天线阵、发射机、接收机;其中，所述天线阵包 括N个天线，在所述控制器的控制下，所述天线电扫描组件选择所述N个天线其中之一作为 发射天线，其余N-I个天线作为接收天线，N为大于等于3的自然数;所述控制器控制所述发 射机生成超宽带脉冲信号，并将该超宽带脉冲信号通过所述发射天线进行发射;该超宽带 脉冲信号在月壤表面和月壤内部分层面上会产生反射回波信号，所述其他N-I个接收天线 在天线电扫描组件控制下依次接收月壤分层结构的回波信号并经由接收机接收后发送至 所述控制器进行存储；当遍历所有天线均作为发射天线进行探测之后，便能获得天线下方 区域月壤分层结构的一次完整的探测数据，通过对探测数据进行处理，就可W获取一幅探 测区域内月壤分层结构图像。
[0015] 根据本发明的另一方面，本发明提供一种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构 的方法，采用一发多收超宽带无载波脉冲雷达波，来探测月球表面的月壤分层结构，具体包 括W下步骤:在控制器的控制下，天线电扫描组件选择N个天线其中之一作为发射天线，其 余N-I个天线作为接收天线，N为大于等于3的自然数;控制器控制发射机生成超宽带脉冲信 号，并将该超宽带脉冲信号通过发射天线进行发射;该超宽带脉冲信号在月壤表面和月壤 内部分层面上会产生反射回波信号，其他N-I个接收天线在天线电扫描组件控制下依次接 收月壤分层结构的回波信号并经由接收机接收后发送至所述控制器进行存储；当遍历所有 天线均作为发射天线进行探测之后，便能获得天线下方区域月壤分层结构的一次完整的探 测数据，通过对探测数据进行处理，就可W获取一幅探测区域内月壤分层结构图像。
[0016] (;巧益效果
[0017] 本发明采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统及方法至少具有下列有益 效果其中之一：
[0018] (1)采用一发多收超宽带无载波脉冲工作模式，利用电磁波传播理论可W精确地 反演出月壤分层结构的深度和介电常数；
[0019] (2)采用超宽带无载波脉冲雷达具有工作频带宽、重量轻、精度高、对月壤破坏较 小等优点，能够满足月壤厚度结构探测的需求；
[0020] (3)将雷达系统搭载于着陆器上对月壤厚度和分层结构进行实地探测，该雷达对 月壤的探测深度大于2米，分辨率高，分辨率小于5厘米。
【附图说明】
[0021] 图1为根据本发明实施例采用一发多收超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统 的结构组成及接口关系示意图；
[0022] 图2(a)、图2(b)分别为图1所示系统中天线阵扫描探测过程示意图；
[0023] 图3为图1所示系统中收发天线布置及回波示意图；
[0024] 图4为图1所示系统中控制器结构框图；
[0025] 图5为图1所示系统中发射机结构框图；
[0026] 图6为单周期发射脉冲波形示意图；
[0027] 图7为图1所示系统中接收机结构框图；
[0028] 图8为图1所示系统中天线电扫描组件实现示意图；
[0029] 图9(a)、图9(b)、图9(c)分别为本发明可选的天线阵布局方式示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0031] 本发明提供了一种采用一发多收超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统，如图 1所示，该系统包括:配电器、控制器、通讯接日模块、基准时钟模块、发射机、接收机、天线电 扫描组件、内定标组件、天线阵。
[0032] 控制器与着陆器综合电子系统数据通讯(通过通讯接口模块接收着陆器综合电子 系统的数据注入并将科学数据和工程参数和遥测参数传送至着陆器综合电子系统）、给发 射机提供触发信号和控制信号、给接收机提供步进取样时钟和控制信号、控制天线电扫描 组件、控制内定标组件、接收机输出信号模数转换、遥测信号采集、科学数据和工程参数组 织和存储等。
[0033] 其中，通讯接口模块实现数据总线接口。基准时钟模块用于产生时钟基准，并可选 择使用内部参考时钟或外部参考时钟。发射机在控制器输出的发射触发信号触发下产生皮 秒级脉宽的时域超宽带脉冲信号，该脉冲信号经由天线电扫描组件和高频电缆馈送至发射 天线。接收机对接收天线输出的回波信号进行放大、高速取样保持、滤波、信号时变放大然 后送至控制器进行模数转换。天线电扫描组件实现天线的电扫描，从而完成对天线阵下方 待测区域月壤的扫描探测。
[0034] 该系统的发射机在控制器的控制下产生超宽带无载频皮秒脉冲信号，经过发射天 线向月面下福射/禪合超宽带皮秒脉冲信号，该脉冲信号在月壤中传播时，如果遇到月壤分 层界面或月壤中存在的岩石块，将产生脉冲信号的反射和散射。接收天线接收到该反射和 散射信号后通过高频电缆馈送给接收机。接收机在控制器的控制下对脉冲回波信号进行放 大、等效取样后获得在时间上被展宽的等效脉冲回波信号，控制器对等效脉冲回波信号进 行模数转换变成易于处理和成像的数字信号。
[0035] 在控制器的控制下，通过天线电扫描组件可选择其中一个天线作为发射天线，其 余所有天线均作为接收天线进行回波接收，如图2(a)和图2(b)所示，当遍历所有天线均作 为发射天线进行发射探测之后，便能获得天线下方区域一次完整的月壤探测数据，通过对 探测数据进行处理和成像，就可W获取一幅探测区域内的月壤分层结构图像。
[0036] 系统探测到月壤表层和月壤内部分层结构反射和散射的回波信号后，经着陆器传 输到地球控制中屯、，在地面经数据处理，W伪彩色电平图或灰色电平图或波形堆积图方式 显示，并给出月壤分层结构的剖面图，能够给出月壤和月岩介电常数。
[0037] Wl发9收的工作模式为例，采用10个超宽带天线组成1发9收天线阵列，当遍历所 有天线均作为发射天线进行发射探测之后，便能获得天线下方区域一次完整的月壤探测数 据，通过对探测数据进行处理和成像，就可W获取一幅探测区域内的月壤分层结构图像，同 时提取脉冲波在月壤中的传播速度，精确地获取月壤分层厚度、月壤介电常数等信息。
[0038] 由图3所示，假设月面下第一层月壤的厚度为化，第1个天线Al作为发射时，发射天 线Al(福射的脉冲信号经月面、月壤分层反射后到达接收天线A神日接收天线Ak(j = 2,3,...， 10;k = 2,3,. . .，10; j声k)的传播时间分别表述为：
[0039] (1)
[0040] (2)
[0041] 在上述公式（1)、（2)中，心1和1^1^为接收天线和发射天线之间的距离，的1和化1是发 射天线或接收天线到电磁脉冲反射点之间的距离，地下目标回波到达的时间扣和tk巧W 通过雷达系统对回波脉冲到达时间的测量得到，联立求解上述方程组，即可求取脉冲波在 月壤中的传播速度V和月壤分层厚度化。可W看出，当遍历所有天线均作为发射天线进行发 射探测之后，能够得到的多组求解方程组，可W通过平均方法比较精确地得到月壤分层厚 度化和脉冲波在月壤中的传播速度V。精确地计算出电磁波在月壤中的传播速度V之后，月 壤介电常数e为：
[0042] e = e〇￡r = e〇(c/v)^ (3)
[0043] 其中C为电磁波在真空中的传播速度。
[0044] W下具体介绍系统各主要部分：
[0045] (1)控制器
[0046] 控制器控制和实现设备的所有工作时序，监测设备的工作状态，主要完成如下功 能:与着陆器综合电子系统数据通讯、给发射机提供触发信号和控制信号、给接收机提供步 进取样时钟和控制信号、控制天线电扫描组件、控制内定标组件、接收机输出信号模数转 换、遥测信号采集、科学数据和工程参数组织和存储等。
[0047] 控制器的主要设计参数如下：
[004引脉冲重复频率:100kHz;
[0049] 采样时间分辨率:~20ps;
[0050] 控制器采样点数:3000;
[0化1] 控制器时窗：~60ns;
[0化2]模数转换位数：
[0053] 控制器组成框图如图4所示，主要由运放电路和模数转换电路、步进延迟时钟产生 电路、天线电扫描组件及内定标组件控制电路、监控系统状态(如：电流、电压、溫度)的遥测 电路等组成。控制器的逻辑控制由FPGA来完成，通信控制功能由MCU来完成。
[0054] 控制器产生精确的步进延迟时钟控制接收机采用等效采样方法对回波信号进行 高速采样保持，并对采样保持后的信号进行模数转换和数据打包存储。
[0055] (2)发射机
[0056] 发射机可采用频域发射机，雷达W频率步进的工作模式进行探测。也可W采用超 宽带时域发射机，在控制器的触发信号的控制下，发射机W触发信号重复频率输出无载频 超宽带窄脉冲信号。宽带窄脉冲信号具有频带宽，福射效率高等优点。
[0057] 为满足发射机指标要求，通过综合对比各种产生皮秒脉冲的技术，在发射机研制 过程中采用基于阶跃恢复二极管产生单周期高斯脉冲的方案。
[005引发射机由微波=极管、阶跃恢复二极管、微波肖特基二极管、终端并联短路线及电 阻、电容等元器件实现。发射机的指标主要有输出脉冲幅度A、脉冲宽度和脉冲重复频率。
[0059] 发射机输出为单周期高斯脉冲波形，技术指标为输出脉冲幅度>10V、脉冲宽度《 2(K)ps，脉冲重复频率100曲Z。发射机主要分为驱动脉冲形成电路、窄脉冲产生电路、脉冲整 形电路、单周期窄脉冲形成电路、电源调理模块、状态遥测电路(包括电流、电压、溫度等)等 六部分。
[0060] 发射机结构框图如图5所示，电源调理模块，用于对输入的电源电压进行调理；
[0061] 驱动脉冲形成电路，用于在触发信号控制下生成驱动脉冲；
[0062] 窄脉冲产生电路，与所述电源调理模块和驱动脉冲形成电连接，主要由高质量充 放电电容和阶跃恢复二极管组成，所述驱动脉冲通过阶跃恢复二极管后产生窄脉冲；
[0063] 脉冲整形电路，由肖特基二极管和终端并联短截线组成，与所述电源调理模块和 窄脉冲产生电路形成电连接，用于对窄脉冲进行整形；
[0064] 单周期窄脉冲形成电路，与所述电源调理模块和脉冲整形电路形成电连接，用于 生成所述该超宽带脉冲信号。
[0065] 发射机输出波形如图6所示。
[0066] (3)接收机
[0067] 由于接收到的回波信号频率达数GHz,不能直接采用ADC对其进行数字化，需要采 用等效采样方法先对接收信号进行降频处理，降频后的回波信号为频率在音频范围内的信 号。
[0068] 等效采样是一种变换采样，利用待取样信号的周期性或者准周期性特点，在待取 样信号出现的每一个单周期内仅进行一次采样，经过信号的多个重复周期后，就能够获得 重建信号一个周期内波形的所有样本。其具体过程是:信号是周期的，在单个周期内，仅获 取一个取样，相邻的两个周期内取样相对时刻增加一个等值的步进，最后一个周期取样后， 累积步进归零开始下一轮信号采样。
[0069] 接收机的结构框图如图7所示。它主要由两部分组成：（1)接收机前端，保护接收机 并对输入回波信号进行调理；（2)采样保持电路，在控制器的步进时钟信号化K控制下对经 过整理的回波信号进行采样并反馈至所述控制器。
[0070] 简单的采样保持电路可用一个二极管实现，即单管口。单管口的电路简单、元件数 量少，并能充分发挥取样口二极管的开关性能。但由于采样脉冲是单极性的，因此采样口打 开后，除了信号样本达到口输出端之外，采样脉冲内混杂的噪声也加入到采样结果中，对采 样结果会产生不良影响。另外，一支采样口管对后级的隔离很差，n管的寄生禪合产生的旁 通效应比较严重。对于高频信号的采样，通常采用平衡采样口电路，平衡采样口电路由微波 二极管组成。使用阶跃恢复二极管产生取样窄脉冲驱动平衡采样口电路对信号进行取样。 选用的阶跃恢复二极管的阶跃时间（transition time)约为55ps，少子寿命5ns，结电容为 0.35PF。根据采样带宽计算公式，取样脉冲的脉宽决定了接收机的采样带宽，可已计算出该 接收机采样带宽可达6.4G化。
[0071] (4)天线电扫描组件、内定标组件
[0072] 天线电扫描组件由多级射频继电器开关组成，通过控制开关的切换，实现天线的 电扫描，从而完成对天线阵下方待测区域月壤的扫描探测。
[0073] 天线电扫描组件起到开关矩阵的作用，在控制器的控制下可将发射信号闭合至N 个输出口的任何一个，同时可将接收信号闭合至其余的N-I个输出口的任何一个或多个。
[0074] 天线电扫描组件胜主要技术指标如下：
[0075] 工作带宽：DC~4GHz;
[0076] 插损：<8地；
[0077] 通道隔离度：>20地；
[0078] 天线电扫描组件使用多级射频继电器实现，天线电扫描组件实现原理如图8所示， 图8给出了天线数目N为4时的天线电扫描组件实现示意图。
[0079] 所述天线电扫描组件由1个Tx接口、1个Rx接口 W及4个输出接口；
[0080] 所述Tx接口与所述发射机输出端相连接，用于输出发射机信号到发射天线；
[0081] 所述Rx接口与所述接收机输入端相连接，用于向接收机传输所述回波信号；
[0082] 所述4个输出接口与所述4个天线相连接；
[0083] 所述天线电扫描组件在所述控制器的控制下将发射信号闭合至4个输出口的任何 一个，实现所述发射机与发射天线向连通;同时将接收信号闭合至其余的3个输出口的任何 一个，实行接收天线与接收机相连通；
[0084] 内定标组件用于将发射机输出信号环回至接收机进行测试，在控制器的控制下可 W实现的内定标功能，发射至接收环回衰减为50地。
[00化](5)配电器
[0086] 配电器在指令控制下，完成加电和断电操作;对着陆器综合电子系统提供的电源 进线处理，经DC/DC变换成各单元所需的二次电源。
[0087] (6)天线阵
[0088] 根据探测系统工作模式的需求，天线阵采用一发多收的工作模式。天线阵安装在 着陆器底板上，各天线分布安装在着陆器底板上的着陆器推进器(发动机）四周。天线排列 如图9(a)-图9(c)所示，但不限于该些排列，天线间隔约为120mm。天线阵工作时，其中1个天 线发射电磁信号，其余天线在所述天线电扫描组件控制下分别接收回波信号。通过各个天 线的交替发射与接收，实现着陆器钻探取样机构下方月壤结构的扫描探测。
[0089] 天线应满足工作频带宽、质量轻、体积小、易于安装、耐高低溫等技术要求。其技术 指标为工作带宽1.0~3. OG化，驻波系数《2.0。可W采用蝴蝶结型（Bowtie)半波阵子、 Vivaldi天线和TEM卿趴天线等天线形式。
[0090] 本发明还提供了一种采用一发多收超宽带雷达技术探测月壤分层结构的方法，其 结合附图1中的系统，采用一发多收超宽带无载波脉冲雷达波，来探测月球表面的月壤分层 结构，包括W下步骤：
[0091] 步骤SlOl:控制器控制天线电扫描组件选择天线阵中N个天线中的一个天线作为 发射天线，天线阵中其他N-I个天线作为接收天线，其中N为大于3的自然数；
[0092] 步骤S102:控制器控制发射机生成超宽带脉冲信号，并将该超宽带脉冲信号发送 至发射天线;所述发射天线接收该超宽带脉冲信号并发射；
[0093] 步骤S103:该超宽带脉冲信号经由月壤分层结构反射后的回波信号到达所述N-I 个接收天线，所述N-I个接收天线在天线电扫描组件的控制下依次接收，并反馈至控制器；
[0094] 步骤S104:控制器对接收的信号进行模数转换形成易于处理和成像的数字信号存 储下来；
[00M]步骤S105:控制器控制天线电扫描组件选择天线阵中另一个天线作为发射天线， 并重复上述SlOl至S104的步骤，直至所有天线都作为发射天线进行了探测，并探测数据传 输给控制器转换成数字信号进行存储；
[0096] 步骤S106:控制器将上述所有的数字信号打包，并通过通讯接口模块发送至着陆 器综合电子系统；
[0097] 步骤S107:着陆器综合电子系统将获得的探测数据传输回地球控制中屯、，并对探 测数据进行图像处理，获得着陆区域月壤的分层结构信息。
[0098] W上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，W上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种采用一发多收超宽带雷达技术探测月壤分层结构的系统，其特征在于，包括:控 制器、发射机、接收机、天线电扫描组件和天线阵； 所述天线阵包括N个天线，在所述控制器的控制下，所述天线电扫描组件选择所述N个 天线其中之一作为发射天线，其余N-1个天线作为接收天线，N为大于等于3的自然数； 所述控制器控制所述发射机生成超宽带脉冲信号，并将该超宽带脉冲信号通过所述发 射天线进行发射； 所述超宽带脉冲信号在月壤表面和月壤内部分层结构上会产生反射回波信号，其他N-1个接收天线在天线电扫描组件控制下依次接收月壤分层结构的回波信号，并经由接收机 接收后发送至所述控制器进行模数转换和打包存储； 所述控制器分别控制所有天线依次作为发射天线进行探测，并将探测数据传输给控制 器转化为数字信号进行存储，从而获得天线阵下方区域月壤分层结构的一次完整的探测数 据。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线电扫描组件由多级射频继电器开 关组成，天线电扫描组件起到开关矩阵的作用； 所述天线电扫描组件包括1个Tx接口、1个Rx接口以及N个输出接口； 所述Tx接口与所述发射机输出端相连接，用于输出发射机信号到发射天线； 所述Rx接口与所述接收机输入端相连接，用于向接收机传输所述回波信号； 所述N个输出接口与所述N个天线相连接； 所述天线电扫描组件在所述控制器的控制下将发射信号闭合至N个输出口的任何一 个，实现所述发射机与发射天线向连通；同时将接收信号闭合至其余的N-1个输出口的任何 一个，实行接收天线与接收机相连通。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于， 所述天线阵安装在着陆器底板上，各天线分布安装在着陆器底板上的着陆器推进器的 四周； 所述N个天线与天线电扫描组件的N个输出口相连接，并在天线电扫描组件的切换下进 行发射或接收工作。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括:运放电路和模数转换电 路、步进延迟时钟产生电路和天线电扫描组件； 所述控制器用于与着陆器综合电子系统进行数据通讯、给发射机提供触发信号、给接 收机提供步进取样时钟信号、控制天线电扫描组件、对科学数据和工程参数进行组织和存 储； 控制器产生步进延迟时钟，控制接收机采用等效采样方法对回波信号进行高速采样保 持，并对采样保持后的信号进行模数转换和数据打包存储。5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射机包括： 电源调理模块，用于对输入的电源电压进行调理； 驱动脉冲形成电路，用于依据触发信号，生成驱动脉冲； 窄脉冲产生电路，与所述电源调理模块和驱动脉冲形成电性连接，用于利用所述驱动 脉冲，生成窄脉冲； 脉冲整形电路，与所述电源调理模块和窄脉冲产生电性形成电连接，用于对窄脉冲进 行整形；以及 单周期窄脉冲形成电路，与所述电源调理模块和脉冲整形电路形成电性连接，用于生 成所述该超宽带脉冲信号。6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收机包括： 接收机前端，用于接收所述回波信号，对回波信号进行滤波和放大，并且保护接收机； 以及 采样保持电路，在控制器的步进时钟信号控制下，对经过所述接收机前端整理的回波 信号进行等效采样接收并反馈至所述控制器。7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括： 配电器，其与控制器、天线电扫描组件、发射机及接收机电性连接，为所述控制器、天线 电扫描组件、发射机及接收机提供电能； 通信接口模块，用于控制器和着陆器综合电子系统之间的通信； 基准时钟模块，用于为控制器提供基准时钟； 内定标组件，在控制器的控制下将发射机输出信号环回至接收机进行测试，用于实现 发射接收回路的内定标功能。8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制器包括；内定标组件控制电路和 系统状态遥测电路，控制器用于控制内定标组件及采集遥测信号。9. 根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述天线为蝴蝶结型半波振 子天线、Vivaldi天线或TEM喇叭天线。10. -种采用超宽带雷达技术探测月壤分层结构的方法，其特征在于，采用一发多收超 宽带无载波脉冲雷达波，来探测月球表面的月壤分层结构，具体包括以下步骤： 步骤S101:控制器控制天线电扫描组件选择安装在着陆器底板上的天线阵中N个天线 中的一个天线作为发射天线，天线阵中其他N-1个天线作为接收天线，其中N为大于3的自然 数； 步骤S102:控制器控制发射机生成超宽带脉冲信号，并将该超宽带脉冲信号发送至发 射天线;所述发射天线接收该超宽带脉冲信号并发射； 步骤S103:该超宽带脉冲信号经由月壤分层结构反射后的回波信号到达所述N-1个接 收天线，所述N-1个接收天线在天线电扫描组件的控制下依次接收，并反馈至控制器； 步骤S104:控制器对接收的信号进行模数转换形成易于处理和成像的数字信号存储下 来； 步骤S105:控制器控制天线电扫描组件选择天线阵中另一个天线作为发射天线，并重 复上述S101至S104的步骤，直至所有天线都作为发射天线进行了探测，并将探测数据传输 给控制器转换成数字信号进行存储； 步骤S106:控制器将所有的探测数据打包，并通过通讯接口模块发送至着陆器综合电 子系统； 步骤S107:着陆器综合电子系统将获得的探测数据传输回地球控制中心，通过对探测 数据进行图像处理，获得着陆区域月壤的分层结构信息。
【文档编号】G01N27/02GK106019272SQ201610412689
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】方广有, 周斌, 纪奕才, 沈绍祥, 卢伟, 李玉喜, 唐传军, 柳青, 花小磊, 经纬
【申请人】中国科学院电子学研究所