地基雷達(dá)是對(duì)月球甚至太陽系其它天體進(jìn)行有效遙感探測(cè)的方法之一，可以提供許多關(guān)于月球風(fēng)化層物理特性的寶貴信息，如月球表面和次表面巖石豐度、風(fēng)化層厚度、鐵和鈦含量、撞擊熔體分布、正面大尺度地形圖等。目前地基雷達(dá)月球成像主要通過美國的Arecibo和Haystack這兩個(gè)雷達(dá)進(jìn)行，國內(nèi)先前因缺少合適的設(shè)備和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)工作一直較少。近期國內(nèi)對(duì)地基雷達(dá)月球探測(cè)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(yuǎn)鏡的連續(xù)波信號(hào)雙基地探月試驗(yàn)，基于曲靖非相干散射雷達(dá)的巴克碼脈沖信號(hào)自發(fā)自收探月實(shí)驗(yàn)等，但無論是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還是算法研究方面，仍有許多問題有待解決。
針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非相干散射雷達(dá)項(xiàng)目組利用近期建設(shè)完成的三亞非相干散射雷達(dá)進(jìn)行了初步的月球成像實(shí)驗(yàn)，開展了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理算法研究。項(xiàng)目組使用了兩種發(fā)射波形-13位巴克碼和線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行月球成像實(shí)驗(yàn)，并發(fā)展了以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：（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位巴克碼匹配濾波器的旁瓣效應(yīng)，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(shù)。
研究獲得了兩種類型的成像結(jié)果：月球正面全域南北半球拼接圖像和局部區(qū)域圖像（圖1）。成像結(jié)果的距離分辨率為500米，方位分辨率為1.2公里。結(jié)果證明了基于三亞雷達(dá)進(jìn)行月球成像的可行性和可靠性，并積累了地基雷達(dá)月球成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)，這使得未來利用我國地基雷達(dá)進(jìn)行月球地質(zhì)學(xué)研究成為可能。
研究還發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)使用的距離多普勒算法雖然計(jì)算效率高，但在需要延長相干積累時(shí)間以獲取更高方位分辨率時(shí)，如果相干積累時(shí)間過長，就會(huì)出現(xiàn)散焦現(xiàn)象，從而導(dǎo)致圖像模糊。
針對(duì)該問題，項(xiàng)目組提出應(yīng)用逆合成孔徑成像技術(shù)中的后向投影算法對(duì)月球進(jìn)行聚焦成像。后向投影算法是一種時(shí)域算法，理論上可以在任意長的相干積累時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素點(diǎn)的聚焦成像，但該算法的缺陷是算法復(fù)雜度高，因此本文應(yīng)用該算法對(duì)月球局部區(qū)域進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目組使用線性調(diào)頻脈沖，發(fā)射右旋圓極化電磁波，接收左旋圓極化回波，同時(shí)使用距離多普勒算法以及后向投影算法，對(duì)畢達(dá)哥拉斯撞擊坑區(qū)域進(jìn)行了成像處理并做了對(duì)比分析（圖2）。
結(jié)果表明，后向投影算法可以很好地應(yīng)用在地基雷達(dá)月球成像實(shí)驗(yàn)中，并且具有一定的聚焦性能，但該聚焦性能對(duì)圖像質(zhì)量提升的程度需要進(jìn)一步量化，這是后續(xù)工作需要關(guān)注的內(nèi)容；另外，后向投影算法計(jì)算效率低，需要發(fā)展快速算法來提高計(jì)算效率。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Remote Sensing上。該研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB4100000）、子午工程以及國家自然科學(xué)基金（41427901）項(xiàng)目的共同資助。
1.李鳴遠(yuǎn)，樂新安*，王永輝，王俊逸，丁鋒，Juha Vierinen，張寧，王中秋，寧百齊，趙必強(qiáng)，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(yuǎn)，樂新安*，丁鋒，寧百齊，王俊逸，張寧，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