“嫦娥”探月 雷达揭密——访北京大学遥感与地理信息系统研究所研究员法文哲.pdf

“我国的月球与深空探测从2007年的嫦娥一号发射开始，但实际上，探月工程的批准实施是在更早的2004年。”法文哲从我国的深空探测的开启打开话题。2003年，杨利伟坐上“神舟五号”航天飞船，完成我国首次载人航天飞行任务。虽然在此之前，我国已经进行过多次的无人航天飞行，积累了大量的实验数据，尽可能把一切可能发生的问题都考虑周全，载人与载物虽然只有一字之差，实施难度却是天壤之别，载人航天任务完成后的进一步战略，就是月球和深空探测。“月球探测是全球都在做的事，阿波罗时代是人类第一个探月高潮。本世纪初，是人类第二个探月高潮。”法文哲说道，深空探测已成为各国科技创新的竞技场，美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度和以色列等国家和地区均制定了深空探测计划并在积极推进实施。十余年来，我国按期圆满完成探月工程“绕、落、回”三步走战略目标，形成月球探测的工程技术能力，获得了月球高分辨率图像、月球结构与演化等多项原创成果；“天问一号”作为中国首次火星探测任务，一次性实现对火星的环绕、着陆与巡视探测。“我国的深空探测计划起步比较晚，但是这20年来，我们一直在努力，按照计划一步步推进实施，回头来看，在发射探测器的数量、着陆器、巡视器、样品采回等方面，我国走在前列。”法文哲解释道，在短短20年里，我国完成深空探测工程体系的建设，形成科研体系的人才储备，逐步在国际深空探测领域掌握了一定的话语权。“有能力发射探月卫星的国家不少，我们也必须在科学目标上，设定别人没做过的，寻求突破。”在法文哲看来，我国深空探测的提升空间还很大：第一，我们需要从航天产业链入手，提升整体的硬件制造水平，制造推进能力更大的火箭，发展卫星技术，提升探测仪器性能指标，提高测控和数据传输的速率等；第二，继续加强我国行星科学研究体系的各类型人才储备；第三，目前我国的深空探测要形成自己的特色，在某些方面进行突破，比如“嫦娥四号”在月球背面着落与探测。“只有多管齐下，才能实现由航天大国迈向航天强国的目标。”在上海复旦大学读博期间，法文哲主要的研究方向是卫星遥感，而他所在的实验室正好负责处理“嫦娥一号”发回的微波辐射计数据。机缘巧合之下，在之后的十余年里，他一直深耕在行星科学数据分析这个领域。“当前进行月球科学数据分析所用的设备和方法，其实大部分都是在地球科学中所使用的，数据处理的理论基础和方法有相似之处，但也有自己的特点与挑战性。”法文哲的研究方向主要是微波遥感，在“嫦娥一号”“嫦娥二号”任务中，做了微波辐射计数据的处理，包括月表微波热辐射建模、数据处理与月表亮温分布图，在此基础上，进行月球表面热物理特性与月壤结构的反演。“月球和火星这类的国家深空探测工程都有主要科学目标，做科研也要有自己的专业特长和兴趣爱好，我对深空探测有着强烈的好奇心。以国家设定的科学目标为导向，再结合个人的专长去做科研，获取成果是高效的。”在“嫦娥三号”发射后，“玉兔一号”巡视器搭载一台探地雷达，这台雷达对月球次表层进行了迄今为止最详细的测量，并发现月球次表层的地质结构比之前预想的更为复杂。“雷达的优势在于探测深度。其它遥感手段探测月球地下结构，探测深度不超过表面以下一米，雷达可以看到月球表面以下三四米。”而此次项目中，法文哲又用上了探地雷达的分析特长。“科学研究特别是行星科学或者地球科学的研究就像中医，是一个积累的过程，经验越丰富，知道每一种病症，处理就会越到位。在行星科学这个领域经验和技术积累足够之后，会形成自己的想法。比如，除了微波遥感的分析外，最近我们也做了月表的地形地貌分析以及演化仿真工作，科研时间越长，以专业背景为基础的钻研就会拓展越宽，这是我自己的经历和体会。”2020年12月，我国“嫦娥五号”成功从月球采集1.731kg月壤样品，并顺利返回地球，这是我国首次地外天体采样返回任务。随后，国内多个研究团队对“嫦娥五号”月球样品开展了实验测量。原本在法文哲看来，“嫦娥五号”的科学目标重点在于返回样品分析，而样品分析主要涉及地球化学的分析，以他的专业特长，参与的可能性并不大。22No?主题策划Topic1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗从“阿波罗11号”飞船登月舱走出，在月球上留下人类登月的第一个脚印，实现了人类登月梦想，从那一刻起，从“仰望星空”到“脚踏实地”，人类与深空的距离便开始缩短了。月球及更远的深空是继陆、海、空、近地空间之后人类活动的第五疆域。据统计，自1958年以来，人类已发射深空探测任务200多次，覆盖了太阳系内包括月球、行星、小行星、彗星、太阳等不同类型天体。中国的深空探测起步于月球探测，作为深空探测科研体系最早一批的科学家之一，从“嫦娥一号”开始，现为北京大学遥感与地理信息系统研究所研究员的法文哲就参与到了我国月球探测数据的分析中。法文哲的科研生涯一直伴随着我国探月工程的推进实施，那么，我国深空探测经历了哪些过程，取得了什么样的成果？深空探测数据的科研分析如何进行？深空探测面临着哪些机会和挑战？法文哲将以亲历者和见证者的身份，为我们一一道来。“嫦娥”探雷达揭密/本刊记者丹妮图/受访者提供23访北京大学遥感与地理信息系统研究所研究员法文哲北京学遥感与地理信息系统研究所研究员法哲嫦娥探程，引领全球探潮以雷达为段，解读神秘球“我国的月球与深空探测从2007年的嫦娥一号发射开始，但实际上，探月工程的批准实施是在更早的2004年。”法文哲从我国的深空探测的开启打开话题。2003年，杨利伟坐上“神舟五号”航天飞船，完成我国首次载人航天飞行任务。虽然在此之前，我国已经进行过多次的无人航天飞行，积累了大量的实验数据，尽可能把一切可能发生的问题都考虑周全，载人与载物虽然只有一字之差，实施难度却是天壤之别，载人航天任务完成后的进一步战略，就是月球和深空探测。“月球探测是全球都在做的事，阿波罗时代是人类第一个探月高潮。本世纪初，是人类第二个探月高潮。”法文哲说道，深空探测已成为各国科技创新的竞技场，美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度和以色列等国家和地区均制定了深空探测计划并在积极推进实施。十余年来，我国按期圆满完成探月工程“绕、落、回”三步走战略目标，形成月球探测的工程技术能力，获得了月球高分辨率图像、月球结构与演化等多项原创成果；“天问一号”作为中国首次火星探测任务，一次性实现对火星的环绕、着陆与巡视探测。“我国的深空探测计划起步比较晚，但是这20年来，我们一直在努力，按照计划一步步推进实施，回头来看，在发射探测器的数量、着陆器、巡视器、样品采回等方面，我国走在前列。”法文哲解释道，在短短20年里，我国完成深空探测工程体系的建设，形成科研体系的人才储备，逐步在国际深空探测领域掌握了一定的话语权。“有能力发射探月卫星的国家不少，我们也必须在科学目标上，设定别人没做过的，寻求突破。”在法文哲看来，我国深空探测的提升空间还很大：第一，我们需要从航天产业链入手，提升整体的硬件制造水平，制造推进能力更大的火箭，发展卫星技术，提升探测仪器性能指标，提高测控和数据传输的速率等；第二，继续加强我国行星科学研究体系的各类型人才储备；第三，目前我国的深空探测要形成自己的特色，在某些方面进行突破，比如“嫦娥四号”在月球背面着落与探测。“只有多管齐下，才能实现由航天大国迈向航天强国的目标。”在上海复旦大学读博期间，法文哲主要的研究方向是卫星遥感，而他所在的实验室正好负责处理“嫦娥一号”发回的微波辐射计数据。机缘巧合之下，在之后的十余年里，他一直深耕在行星科学数据分析这个领域。“当前进行月球科学数据分析所用的设备和方法，其实大部分都是在地球科学中所使用的，数据处理的理论基础和方法有相似之处，但也有自己的特点与挑战性。”法文哲的研究方向主要是微波遥感，在“嫦娥一号”“嫦娥二号”任务中，做了微波辐射计数据的处理，包括月表微波热辐射建模、数据处理与月表亮温分布图，在此基础上，进行月球表面热物理特性与月壤结构的反演。“月球和火星这类的国家深空探测工程都有主要科学目标，做科研也要有自己的专业特长和兴趣爱好，我对深空探测有着强烈的好奇心。以国家设定的科学目标为导向，再结合个人的专长去做科研，获取成果是高效的。”在“嫦娥三号”发射后，“玉兔一号”巡视器搭载一台探地雷达，这台雷达对月球次表层进行了迄今为止最详细的测量，并发现月球次表层的地质结构比之前预想的更为复杂。“雷达的优势在于探测深度。其它遥感手段探测月球地下结构，探测深度不超过表面以下一米，雷达可以看到月球表面以下三四米。”而此次项目中，法文哲又用上了探地雷达的分析特长。“科学研究特别是行星科学或者地球科学的研究就像中医，是一个积累的过程，经验越丰富，知道每一种病症，处理就会越到位。在行星科学这个领域经验和技术积累足够之后，会形成自己的想法。比如，除了微波遥感的分析外，最近我们也做了月表的地形地貌分析以及演化仿真工作，科研时间越长，以专业背景为基础的钻研就会拓展越宽，这是我自己的经历和体会。”2020年12月，我国“嫦娥五号”成功从月球采集1.731kg月壤样品，并顺利返回地球，这是我国首次地外天体采样返回任务。随后，国内多个研究团队对“嫦娥五号”月球样品开展了实验测量。原本在法文哲看来，“嫦娥五号”的科学目标重点在于返回样品分析，而样品分析主要涉及地球化学的分析，以他的专业特长，参与的可能性并不大。22No?主题策划Topic1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗从“阿波罗11号”飞船登月舱走出，在月球上留下人类登月的第一个脚印，实现了人类登月梦想，从那一刻起，从“仰望星空”到“脚踏实地”，人类与深空的距离便开始缩短了。月球及更远的深空是继陆、海、空、近地空间之后人类活动的第五疆域。据统计，自1958年以来，人类已发射深空探测任务200多次，覆盖了太阳系内包括月球、行星、小行星、彗星、太阳等不同类型天体。中国的深空探测起步于月球探测，作为深空探测科研体系最早一批的科学家之一，从“嫦娥一号”开始，现为北京大学遥感与地理信息系统研究所研究员的法文哲就参与到了我国月球探测数据的分析中。法文哲的科研生涯一直伴随着我国探月工程的推进实施，那么，我国深空探测经历了哪些过程，取得了什么样的成果？深空探测数据的科研分析如何进行？深空探测面临着哪些机会和挑战？法文哲将以亲历者和见证者的身份，为我们一一道来。“嫦娥”探雷达揭密/本刊记者丹妮图/受访者提供23访北京大学遥感与地理信息系统研究所研究员法文哲北京学遥感与地理信息系统研究所研究员法哲嫦娥探程，引领全球探潮以雷达为段，解读神秘球但法文哲并没有完全放弃，他另辟蹊径，所在课题组与桂林理工大学、中国科学院空天信息研究院、中科院地球化学研究所等同行合作，利用可见光、多光谱、激光高度计、红外辐射计、微型合成孔径雷达等多源遥感数据，分析了“嫦娥五号”着陆区地质背景与月壤特性，进一步结合撞击溅射沉积过程模型，分析“嫦娥五号”着陆区月壤源区与演化过程。“从我们十余年深耕行星科学的角度出发，对嫦娥五号月球样品的研究，有助于了解月球热演化、近期火山活动、内太阳系撞击历史、年轻月壤的形成与演化过程等，也可以为行星地质学中传统的撞击坑定年方法提供关键锚点。”“除了分析我国的数据之外，国际一些公开的数据我也会进行研究，对月球极区附近阴影坑内是否存在大量水冰这个极具争议的问题进行了深入研究，并得出了完全不一样的结果。”美国月球侦察轨道器和印度“月船一号”探测器宣称在撞击坑中发现了水冰的证据，NASA等航天机构认为可以先派宇航员去开采水冰。但是，法文哲却对观测结果提出了一种新的解释模型。他认为，美国月球侦察轨道器探测到的其实是月表石块散射的雷达回波，而非来自水冰。“水冰有可能存在，但远远没有之前想的那么多。我的研究结果对未来探索提出了挑战。”法文哲说道，“对于未知领域的探索，不要妥协于权威，结论要依靠专业从已有资料获取，也需要更多的未来观测数据来支撑。”“一颗探月卫星价值十几亿，获得的大量数据不能被埋没，我们要去分析，分析探月卫星传回的数据才是纯粹的月球科学研究，也是探月工作的最后一个环节。”我国“嫦娥一号”“嫦娥二号”发射成功后，有关月球的国际论文发表数实际上非常少，对