В настоящей публикации представлены результаты обработки данных, полученных в ходе исследования лунного грунта с помощью геофизического прибора электромагнитного подповерхностного зондирования Lunar Penetrating Radar (LPR). LPR входит в состав комплекса научной аппаратуры лунохода Юйту-2, выполняющего исследовательские задачи на поверхности обратной стороны Луны с января 2019 года в рамках китайской космической миссии Чанъэ-4.

Обработка данных LPR производилась в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ двумя способами. Один из них заключался в применении к сигналам LPR амплитудно-частотных преобразований  для  минимизации маскирующего влияния помех на отражения от границ слоёв лунного грунта. Другим способом, с помощью автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF (подробнее об анализе BSEF см. здесь), осуществлялся переход от представления информации о подповерхностной среде в виде радарограммы, к представлению информации об этой среде и отражённом от неё волновом поле в виде разреза атрибута. По результатам анализа BSEF были получены разрезы диэлектрической  проницаемости, центральной частоты и Q-factor, которые позволили выявить особенности строения лунного грунта и этапов его формирования в исследуемом диапазоне глубин. 

На рис. 1 показан снимок главного окна программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ в режиме работы с результатами анализа BSEF. В левой части главного окна расположены элементы визуализации результатов анализа BSEF и настройки построения разреза атрибута. В правой части находится область визуализации разреза и элементы управления визуализацией радарограммы, которая расположена на соседней вкладке и в данный момент скрыта.

LPR является георадаром, предназначенным для работы на поверхности Луны. Принцип действия георадара основан на излучении коротких электромагнитных импульсов в толщу исследуемой среды и регистрации отражений от неоднородностей этой толщи. В грунте такими неоднородностями являются слои с различными электрофизическими характеристиками и локальные объекты, линейные размеры которых сопоставимы с длиной волны зондирующего импульса.  

LPR исследование лунного грунта осуществляется методом радиолокационного профилирования (англ. common offset profiling). Суть метода состоит в зондировании подповерхностной среды в процессе перемещения антенн георадара по заданному маршруту с сохранением постоянного расстояния между передающей и приёмной антеннами. Происходит это следующим образом: в некоторой точке лунной поверхности, расположенной на пути следования лунохода, LPR излучает электромагнитный импульс в толщу лунного грунта, после чего, через равные промежутки времени, принимает отражения этого импульса и записывает их амплитуды в память. Таким образом, формируется георадиолокационная трасса  – функция амплитуды принятого георадаром сигнала от времени его прихода в приёмную антенну. 

В ходе профилирования, LPR получает георадиолокационные трассы для различных точек лунной поверхности по ходу следования лунохода. Из георадиолокационных трасс формируется двумерная матрица отражённых сигналов, в которой георадиолокационные трассы расположены по вертикали, а порядок расположения трасс по горизонтали определён очерёдностью их получения. Изображение такой матрицы называется радарограммой или георадиолокационным профилем. 

Чаще всего, матрица отражённых сигналов визуализируется в виде точечного изображения, где яркость точек зависит от величины амплитуды. Матрица сигналов содержит как полезные сигналы, которыми являются отражения от реальных неоднородностей исследуемой среды, так и различного рода помехи. Помехи могут быть порождены объектами на дневной поверхности, многократными отражениями от подповерхностного объекта и влиянием электронных приборов, генерирующих сигналы в рабочей полосе частот георадара. При наличии помех, для минимизации влияния этих помех на полезные отражения, матрице сигналов необходима обработка. 

На рис. 2 показан результат первых 180 метров LPR профилирования лунного грунта. Вертикальная шкала на радарограмме слева показывает время двойного пробега электромагнитного импульса LPR в наносекундах, вертикальная шкала справа показывает глубину в метрах, рассчитанную на основании указанного в скобках среднего значения действительной части комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Горизонтальные шкалы показывают пройденное луноходом расстояние в метрах.  

Глубина георадиолокационного исследования зависит от центральной частоты антенн георадара. Чем ниже частота, тем медленнее затухает зондирующий импульс, и тем глубже он проникает в исследуемую среду. Однако использование низкочастотной антенны для увеличения глубины исследования приводит к ухудшению разрешения сигналов георадиолокационного профиля. 

Чтобы обеспечить приемлемые разрешение георадарных сигналов и глубину исследования, LPR оснащён двумя антеннами, отличающимися по конструкции и настроенными на различные частоты. Таким образом, LPR лунохода  Юйту-2 является двухканальным радаром. Первый канал работает на центральной частоте 60 МГц, второй канал настроен на центральную частоту 500 МГц. В данной публикации представлены результаты обработки данных первого канала LPR. Вибраторы антенн первого канала установлены в задней части лунохода, на рис. 3 они указаны стрелками. Расстояние между вибраторами и поверхностью луны составляет около 60 см.

В январе 2019 года посадочный модуль космической миссии Чанъэ-4 совершил мягкую посадку в кратере Фон Карман, который находится на территории бассейна Южный Полюс — Эйткен (рис. 4). Этот бассейн представляет собой глубочайшую и старейшую ударную структуру Луны, а размер 2400×2050 км делает его одним из крупнейших кратеров Солнечной системы. Кратер Фон Карман имеет относительно ровное дно, затопленное базальтовой лавой, поверхность которой покрыта слоем реголита.

На рис. 5 показана схема перемещения лунохода Юйту-2 во время первого девятимесячного этапа исследования Луны. Путевые точки маршрута показаны круглыми маркерами желтого цвета и пронумерованы. Путевая точка №1 находится рядом с посадочным модулем Чанъэ-4, положение которого обозначено точкой CE4. Нумерация путевых точек произведена в порядке увеличения пройденной дистанции. 

Далее рассматривается обработка результата радиолокационного профилирования первых 180 метров маршрута лунохода. Начало радиолокационного профиля соответствует положению путевой точки №1, конец профиля примерно соответствует положению путевой точки №31.

В настоящей публикации представлены результаты обработки данных LPR двумя способами. Один способ - это обработка сигналов георадарного профиля с целью подавления помех и выделения границ слоёв лунного грунта на радарограмме. Второй способ - это автоматизированный анализ поля обратного рассеяния BSEF для определения электрофизических характеристик слоёв лунного грунта.   

Особенности лунной радарограммы обусловлены конструкцией антенн LPR 60 МГц и свойствами лунного грунта. Антенные вибраторы 60 МГц не являются экранированными. По этой причине полезные отражения на радарограмме перекрываются помехами в виде отражений от объектов, расположенных на поверхности луны – камней, бортов кратеров и деталей лунохода. 

Наибольший маскирующий эффект на LPR сигналы, отражённые от неоднородностей лунного грунта, оказывают многократные отражения от металлических элементов конструкции лунохода. Так как металл является хорошим отражателем радиоволн, отражения от металлических элементов конструкции лунохода, расположенные в непосредственной близости от LPR антенн, имеют наиболее высокие амплитуды. Эти отражения выглядят на радарограмме как горизонтально ориентированные полосы, присутствующие на всём протяжении георадиолокационного профиля и проявляющиеся во всём диапазоне времени регистрации отражений. Такая стабильность этих помех вызвана тем, что расстояние между антенными вибраторами и луноходом является величиной постоянной и не меняется со временем. Кроме того, отражения от различных частей лунохода взаимодействуют между собой, взаимно усиливаясь или подавляясь, в зависимости от их фазовых соотношений. 

По сравнению с отражениями от лунохода, амплитуды отражений от камней, расположенных на поверхности Луны, и бортов кратеров заметно ниже. Это происходит потому, что эти объекты не обладают такой хорошей отражательной способностью, как металлические элементы лунохода. Часть энергии зондирующих импульсов LPR поглощается веществом, из которых состоят объекты на поверхности, а часть рассеивается этими объектами в пространстве и не попадает в приёмную антенну LPR. 

По мере прохождения зондирующего электромагнитного импульса через подповерхностную среду, меняется частотный состав этого импульса. Слои грунта, близкие по своим характеристикам, похожим образом искажают зондирующий импульс георадара. В силу того, что электрофизические характеристики лунного грунта и сильно разреженной атмосферы Луны существенно различаются, то и частотный состав отражённых LPR импульсов от подповерхностных объектов и объектов на поверхности Луны также будет иметь заметные отличия. Рассмотрим спектр сигналов LPR профиля. На рис. 6 слева показана исходная, необработанная, радарограмма LPR 60 МГц, справа представлен амплитудный спектр сигналов этой радарограммы.  

Спектр даёт подтверждение, что основная энергия помех от корпуса лунохода действительно сосредоточена в диапазоне частот до 20 МГц. На рис. 8 представлена радарограмма и её спектр после процедуры подавления диапазона частот до 20 МГц для минимизации влияния помех от корпуса лунохода. Подавление производилось при помощи полосовой фильтрации, реализованной на основе преобразований Фурье.

На рис. 11 показан результат обработки данных LPR в более крупном масштабе изображения.

Таким образом, в процессе обработки данных LPR был подавлен диапазон частот до 20 МГц, занимаемый помехами от корпуса лунохода, и в это диапазон были перемещены полезные отражения. В результате, на радарограмме наблюдаются очищенные от помех отражения от границ слоёв лунной толщи. Эти отражения дают представление о положении слоёв на разрезе, но не дают, в достаточной степени, представление о свойствах слоёв и изменении этих свойств внутри слоя. Решить такую задачу можно при помощи автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF.   

В георадиолокации, отражение зондирующего импульса от границы между слоями формируется только при условии достаточной разницы значений диэлектрической проницаемости в области контакта этих слоёв. Если контакт слоёв имеет диффузный характер, при котором диэлектрическая проницаемость изменяется плавно, а не скачкообразно, то отражение от такой границы на радарограмме будет отсутствовать. В случае плавного изменения электрофизических характеристик подповерхностной среды на всём протяжении георадиолокационного профиля и во всём диапазоне глубин георадиолокационного исследования, радарограмма не будет содержать отражений от границ слоёв. 

Получить информацию о диэлектрической проницаемости участков подповерхностной среды можно с помощью дифрагированных отражений. Дифрагированные отражения порождают локальные объекты, размеры которых сопоставимы с длиной волны зондирующего импульса георадара. Геометрия дифрагированного отражения на радарограмме зависит от средней скорости распространения зондирующего импульса от антенны георадара до локального объекта. На основе значения средней скорости, полученной из измерения геометрии дифрагированного отражения, рассчитывается среднее значение диэлектрической проницаемости для толщи, ограниченной антенной георадара и глубиной залегания локального объекта. 

Чем больше дифрагированных отражений от подповерхностных локальных объектов содержит радарограмма, тем более детальную информацию о строении подповерхностной среды можно получить. Однако количество дифрагированных отражений на радарограмме, пригодных для подобных измерений, часто бывает недостаточным для получения подробной картины строения разреза, отображающей все его особенности. Не редки случаи, когда дифрагированные отражения на радарограмме исчисляются единицами, а иногда и отсутствуют полностью. 

Преодолеть упомянутые выше затруднения можно с помощью автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF (Back-Scattering Electromagnetic Field), специально разработанного для программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ. Использование результатов этого анализа позволяет осуществить переход от визуализации информации о подповерхностной среде в виде радарограммы, к визуализации характеристик этой среды и отражённого волнового поля в виде разреза атрибута. 

Для решения широкого спектра задач георадиолокации, в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ насчитывается более двух десятков атрибутов. Атрибутами являются параметры волнового поля, отображённого на радарограмме, и их производные, полученные в результате различных преобразований. Представление георадиолокационной информации в виде разреза атрибута заметно повышает информативность георадиолокационного исследования и делает результат этого исследования более понятным, а использование модуля статистического анализа, также реализованного в ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, помогает выявить взаимосвязи атрибутов между собой и физико-механическими характеристиками исследуемого грунта.

Шкала соответствия цветовой гаммы разреза значениям диэлектрической проницаемости показана слева от изображения разреза. В нижней части изображения размещены статистические показатели разреза. Это минимальное, максимальное и среднее значения атрибута разреза (Minimum value, Maximum value и Average value), количество точек автоматизированного анализа, по которым рассчитан разрез (Number of measuring points), среднее расстояние между точками анализа BSEF в метрах (Average distance) и среднее количество точек анализа BSEF на квадратный метр площади разреза (Density). 

Примечание: термин 'точка анализа BSEF' означает точку на георадарном профиле, в окрестности которой, в процессе автоматизированного анализа  BSEF, измеряются параметры волнового поля. В результате, точке анализа присваивается набор атрибутов - амплитуда, частота, ширина спектра, диэлектрическая проницаемость и др. 

На разрезе близкие значения атрибута формируют слои, дающие представление о строении исследуемой толщи. На рис. 13 показан вариант визуализации разреза, где значения диэлектрической проницаемости внутри слоя одинаковы по всей площади слоя и равняются среднему значению диэлектрической проницаемости в этом слое.

Слоям на разрезе присвоены номера в порядке возрастания средней глубины залегания слоя. Статистические показатели для разреза диэлектрической проницаемости по слоям представлены в таб. 1. 

Значения диэлектрической проницаемости разреза лежат в диапазоне 2.5 – 6.5. На разрезе наибольший интерес вызывают слои 3 и 6.

Слой 3 обладает наименьшим средним значением диэлектрической проницаемости, большая часть площади этого слоя имеет диэлектрическую проницаемость ниже 3. Толщина слоя 3 варьируется от 11.6 м до 33.7 м, средняя составляет 24.8 м. Глубина залегания кровли слоя 3 меняется в пределах от 36.1 до 47.8 м, а подошвы слоя – от 58 до 70.8 м. 

В качестве гипотезы образования слоя 3 рассматривается предположение, что данный слой является лавовой трубкой, т.е. туннелем, образованным потоком вулканического извержения. Лавовая трубка формируется следующим образом: в процессе извержения, поверхностный поток лавы быстро остывает, образуя корку. Корка выступает в роли теплоизолятора для внутреннего потока раскалённой лавы. По окончании извержения, ещё неостывшая лава стекает под уклон, оставляя за собой протяжённые пустоты, именуемые лавовыми трубками. Факт того, что значения диэлектрической проницаемости слоя 3 лежат в диапазоне от 2.5 до 3.2, позволяет выдвинуть предположение, что слой 3 является лавовой трубкой, частично или полностью заполненной водным льдом.

В отличие от остальных слоёв разреза, Слой 6, расположенный внутри слоя 7, имеет чашеобразную форму, напоминающую углубление, которое возникает от ударного воздействия при столкновении небесного тела с поверхностью Луны. Средняя глубина залегания верхней границы слоя 6 составляет 104 м, максимальная толщина слоя 6 равна 24.4 м. Протяжённость слоя 6 около 111 м. 

Над слоями 6 и 7 располагается слой 5, средняя толщина которого составляет 9.4 метра. Этот слой отличается от слоёв 6 и 7 более низким средним значением диэлектрической проницаемости 5.1. У слоёв 6 и 7 эти значения составляют 5.9 и 6 соответственно. Если слой 6 является ударным кратером, погребённым под почти стометровым слоем лунного грунта, то на основании этого факта можно сделать вывод, что кровля слоёв 6 и 7 достаточно долгое время являлась лунной поверхностью. И этот период времени был настолько продолжительным, что на поверхности успел сформироваться почти десятиметровый осадочно-пылевой слой реголита. Потом произошло вулканическое извержение или серия извержений, в результате чего лунная поверхность покрылась магматической породой толщиной около 100 метров. В пользу этой гипотезы свидетельствует распределение значений диэлектрической проницаемости по глубине разреза.   

На рис. 14 показана зависимость диэлектрической проницаемости от номера слоя. Чем больше номер слоя, тем глубже слой залегает. На горизонтальной оси графика располагаются номера слоёв, на вертикальной оси – средние значения диэлектрической проницаемости в слое.