火星探测的微波遥感技术

从微波遥感的角度出发,综述目前国际上对火星的探测现状,列出对微波遥感探测有影响的火星表层土壤、岩层的结构、分布及其介电特性等参数的已有研究结果,分析对火星地壳表层水(或冰)存在可能性及其分布状态的研究动向.结合地球表面微波遥感技术的最新进展,提出用主动与被动微波遥感探测火星表面浅层土壤物质状态和分层结构的可行性分析,初步研讨了火星表层是否有水(或冰)存在的探测方案.      

火星尘埃与探测

火星表面尘埃与太阳辐射、热辐射的相互作用直接影响火星大气的结构、热平衡和动力学过程,并会产生改变火星表面反照率和火星地貌的长期效应.火星尘埃环境还对登陆于火星表面的着陆器能源系统和光学载荷等系统构成影响.为此需开展火星大气尘埃的直接就位探测.在介绍了火星的尘埃特性与主要探测方法基础上,提出了采用微质量计技术开展火星表面尘埃就位探测的综合探测器方案.探测器包含3种传感器.尘埃累积传感器通过设置其敏感晶体表面朝上,可以探测火星表面尘埃的沉积质量与速率;荷电尘埃传感器通过加置不同极性的偏置电压,可以探测荷正电尘埃和荷负电尘埃的累积特性;磁尘传感器通过在敏感晶体后加设小型永久磁铁,可以探测磁性尘埃的累积特性.传感器感测质量范围为10^-11~10^-4g.火星尘埃综合探测器可应用于未来的火星着陆探测计划.     

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一, 登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标, 因此电离层是必须了解的火星电磁环境. 火星电离层探测包括直接探测和间接探测. 直接探测精度高, 有较高的空间分辨率, 但是观测时间短, 无法提供长期稳定的探测结果. 对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测. 无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测, 但其空间水平分辨率较低, 且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制. 顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率, 且同样可进行长期稳定探测, 为火星电离层研究提供了最新的支持. 通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析, 提出通过几种探测方法适当结合的方式, 同时对火星电离层进行观测, 能够大大推进对火星电离层的研究.      

高频返回散射回波频谱测量

本文采用脉冲多普勒雷达技术, 测量了电离层高频返回散射回波的时延-功率-多普勒频率的三维频谱图.对典型的频谱图作了分析, 并由谱图推算了电离层等效反射面的垂直运动速度, 它与垂直探测资料推算的结果相符.      

基于微多普勒特征的人体上肢运动参数估计

人体行走的雷达特征研究是近年发展起来的新的研究方向,基于雷达的人体目标探测在安全防护、灾害救援、生物力学和运动学研究等方面具有广阔的应用前景。人体走动时手和腿的摆动对回波信号产生调制,回波信号的微多普勒特征能精细地刻画体动规律,将有效地探测并估计人体的运动规律。主要研究人体上肢的雷达特征,首先以人体上肢的运动模型为基础,建立了其雷达回波模型,通过理论分析得到了参数估计的方法,通过广义Radon变换提取行人摆臂的微多普勒。最后通过仿真实验,验证了算法的有效性。     

火星探测直接转移轨道精确求解研究

针对火星探测直接转移轨道精确求解问题, 提出了一种快速微分修正算法. 基于二体模型建立控制参数和目标参数偏差关系的数学模型, 并由此求解系统的偏导数矩阵; 采用B平面参数作为中间变量, 对算法进行两层迭代设计, 有效地减少了求解过程中的积分运算次数. 以2018年火星探测机会为例对算法进行了验证, 仿真结果表明, 利用圆锥曲线拼接法得到的轨道初值, 求解一条标准轨道只需6~9次积分迭代. 通过STK对计算结果进行了对比和验证.      

一种基于压电驱动的火星岩石钻探器的研制

钻取采样是未来火星探测采样任务中获取星表岩石样本的一种有效方式。压电驱动的超声波钻取采样技术以压电陶瓷作为作动元件,对火星表面复杂环境具有一定的适应性。基于高频冲击钻进的工作原理,超声波钻探装置容易刺入火星表面坚硬的岩石。作为一种轻质小巧、低功耗的钻探器,超声波钻探器非常适合火星表面岩石的原位探测采样任务。本文借助仿真和试验手段验证了超声波钻探器的岩石钻进能力和钻探效率。超声波钻探器的研制可为未来火星表面岩石的钻探采样任务提供技术参考。     

基于UE4的火星地表环境视景仿真

火星地表环境可视化仿真对于火星探测方案的演示以及验证具有非常重要的意义.本文针对火星地表数字环境建模的需求,根据真实火星场景数据,基于虚幻引擎4(UE4)数字仿真软件,设计并构建了火星地表环境的三维视景模型.设计的仿真模型不仅包含沙坡、沙坑、山丘等多种地形,还加入了光照、沙尘等条件,使得模型更为贴近真实火星环境,满足视觉效果以及真实性要求.     

雷达技术在小天体任务中的应用研究

在小天体任务中,雷达技术可用于浅表层探测和全球内部结构探测。总结了国内外雷达技术在天体探测任务中的应用现状,分析了单站和双站雷达系统的不同应用场景,对比了单站雷达中的轨道器雷达、表面巡视器雷达的不同特点。在此基础上,研究了小天体的可能结构、可能物质,介绍了单站、双站雷达的基本工作原理,提出了针对不同结构小天体可采用的雷达探测体制。针对尺寸较大的分层结构小天体,可采用单站雷达探测天体的浅表层,获取表层和浅表层的介电常数以及表层的深度;对于尺寸较小的碎石堆结构小天体,可采用双站雷达观测天体透射波,获取天体的介电常数和全球内部结构。最后通过仿真实验,验证了双站雷达对于探测碎石堆状小行星全球内部结构的有效性。     

基于UE4的火星地表环境视景仿真

火星地表环境可视化仿真对于火星探测方案的演示以及验证具有非常重要的意义.本文针对火星地表数字环境建模的需求,根据真实火星场景数据,基于虚幻引擎4(UE4)数字仿真软件,设计并构建了火星地表环境的三维视景模型.设计的仿真模型不仅包含沙坡、沙坑、山丘等多种地形,还加入了光照、沙尘等条件,使得模型更为贴近真实火星环境,满足视觉效果以及真实性要求.     

基于数据拟合的雷达高度表告警信号测试方法

阐述了雷达高度表自动测试系统软硬件组成和原雷达高度表告警信号测试方法,指出原测试方法存在的测试效率低下问题,针对该问题提出了基于最小二乘数据拟合的雷达高度表告警信号测试方法,并给出了测试数据和实验结果.该测试方法首先应用少数激励和输出数据进行数据拟合,应用拟合函数确定发出告警信号的激励电压初始电压值,再以小电压幅度逐次调整激励电压,以完成精确测量,应用该方法可在保证测试精度的前提下大大提高测试效率.     

国外星载雷达高度计的发展和展望

70年代以来,星载雷达高度计在世界范围内得到了迅速的发展。文章讨论了星载雷达高度计的原理和特点,并且介绍了星载雷达高度计的重要意义、发展历史和背景以及它的发展状况。最后展望了星载雷达高度计的发展趋势。     

Digital signal processing and numerical analysis for radar in geophysical applications

Numerical solutions for signal processing are described in this work as a contribution to study of echo detection methods for ionospheric sounder design. The ionospheric sounder is a high frequency radar for geophysical applications. The main detection approach has been done by implementing the spread-spectrum techniques using coding methods to improve the radar’s range resolution by transmitting low power. Digital signal processing has been performed and the numerical methods were checked. An algorithm was proposed and its computational complexity was calculated.     

Detection of regolith buried water stream channels on Mars with the help of synthetic aperture radar

A major theme in the study of Mars is the search for evidence that water was present in the past or is present today, either at or below the surface. Biological life is connected to water. Hence much research is focused on the detection of water stream channels, which in the past flowed on Mars. In these areas, the petrified remains of the former life on Mars may be found. These channels may be under the regolith layer; however, the radio wave penetrating ability allows for the detection of these channels under the regolith.     

82-92km高度范围大气湍流能量耗散率的一个个例研究

使用Chaff和落球火箭测量的垂直速度和温度数据研究湍流结构和它的产生.结果表明湍流存在多层桔构.在强湍流层,动力不稳定,和MST雷达回波功率间有好的相关,认为强湍流层和雷达回波与动力不稳定有关.水平速度垂直波数谱表明,观测谱与他和谱模式有极好的一致,认为强湍流层和雷达回波通过动力不稳定直接与重力波饱和相联系.      

基于UKF的雷达高度计自主定轨

探讨了利用推广卡尔曼滤波估计非线性系统状态时存在的问题,从而介绍了目前广泛使用的分步逼近的卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter).为了提高导航的可靠性和准确性,在星敏感器导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备,提出了一种基于星上雷达测高仪及星敏感器联合进行卫星自主定轨的算法.建立了比较复杂的地球海平面模型,并考虑了其中风生重力波的影响. 利用雷达测高仪的测量结果和地球形状模型,计算地心矢量在卫星本体中坐标系的方向.利用UKF滤波定轨算法,明显提高了自主定轨的精度.数值仿真结果表明,UKF定轨精度要远优于推广卡尔曼滤波.      

Radar detection of subsurface features on Mars

The structure of the pulse radar signal reflected from continuously changing layered Martian crust is investigated theoretically. As a simple model of stratigraphy, we considered one layer with electrodynamics’ parameters increasing or decreasing exponentially upon a depth laying on monolith base and covered by homogeneous layer. This exponential changing of electromagnetic properties of the layer is assumed due to exponential changing of porosity (or saturation) in the bedrocks with pores filled by seawater. The conditions of subsurface features resolution are obtained. It is shown that the sign and value for gradient of the electromagnetic properties change can be resolved from the reflection peaks trend. These results are important for subsurface detection of liquid water on Mars by orbit-based radars.     

冷锋期间武汉MST雷达低平流层回波异常现象

武汉MST雷达是中国子午工程建设的两台中高层大气无线电探测雷达之一.该雷达探测频率在VHF频段，雷达回波在低平流层和对流层上部具有角谱特性，可为研究大气动态稳定性提供有效技术手段.本文利用武汉MST雷达2016年4月17日冷锋活动期间及平静天气的角谱实验数据，从雷达回波特性变化、风场空间分布、湍流生成机制以及内重力波影响四个方面分析并解释了MST雷达对流层顶上部区域出现持续异常强回波带的成因.分析结果表明，对流层冷锋的强对流作用诱发内重力波，内重力波向上传播至低平流层后受增强的剪切急流影响发生耗散甚至破碎，激励了长时间跨度的K-H不稳定性，进而导致水平反射层结构发生扰动生成湍流，使得雷达回波结构发生变化.      

一种火星多模式组合探测任务设想

针对火星探测科学发现及任务创新需求,探索更先进的探测模式,提出了一种火星多模式组合探测任务设想。该任务设想的特点在于结合了轨道环绕、表面着陆、多点穿透和浮空探测,获取立体多层多源信息,一次任务实现深度科学探测。对火星开展多模式组合探测,不仅会开拓更加具有优势的火星探测新方式,发展新的探测能力和技术,也会加深对火星的全面了解,提高探测活动的综合效果。多模式探测设想不仅适用于火星,对金星、土星等地外天体探测也有很好的支撑作用。