从1957年的第一次人造卫星上天到今天为止，对外星进行了多次不同考察目标的探测。目前统计，对金星探测了26次、对月球探测了84次、对火星探测了34次。

太阳系宜居带中的三颗星球：地球、火星和金星。金星和火星没有全球的磁场，所以他无法抵御太阳凤的侵袭，它的大气会越来越稀薄。像金星已经稀薄到只剩二氧化碳，但是它的大气压是92大气压，这种条件是不适合人类生存的。所以对金星无论如何改造也很难成为人类将来宜居的目标。在2018年前后，发现在金星50km的高空，大气中悬浮有一种生物的代谢物，有可能存在与生物的关系。人类去金星的可能性是很小的。火星的很多条件与地球都非常相似，如果我们进行比较，其地表条件与地球的某些地方，如中国的戈壁滩和沙漠，如青海省的格尔木地区相似。

火星探测并非一帆风顺。有些国家的探测器是飞过了火星，成为太空垃圾。有些是入轨火星表面，就燃烧了。有些到达火星表面，因火星环境问题，如沙尘大，把仪器埋没，把太阳能板埋没，无法供电，必须关机，但它里面的仪器都是好的。月球上温差太大，白天最高温度100多度，夜晚是零下200多度，没有空气，绝对的真空。

许多科学家认为，月球、火星、金星等诸多球外星球的内部结构，基本上与我们居住的地球的内部结构一样，具有壳幔核的圈层结构。

图一.行星地震和车载雷达探测进程

美国在1969年和2018年分别在月球和火星上放置地震仪观测。在月球上工作的月震仪，其中有四台工作了八年。挖掘出来13000多个地震，其震级比我们地球的地震要小很多，用地球上地震强度衡量的话，一般也就是两级左右。美国的月震仪没有探测到月球内核结构。因为他仪器的性能不太好。

美国在2018年发射了一个叫洞察号探测器，这个仪器在火星工作了两年，后来被沙尘埋没了太阳能板，导致他最后关机了。美国到现在已经记录了1000多个火震。火星白天的噪声特别大，到了半夜的时候才会静一些，天亮之前会发生点火震。这些火震可能是岩石跟地表的土壤的温度变化引起的。它们的膨胀程度不一样导致的这种小的火震，就像是嘎巴嘎巴响引起的震动。这个东西占了记录统计数的65%。

国际星球的探测如火如荼，2023年，在欧盟和美国的帮助下，印度对月球探测，可能记录了一个疑似地震、日本也去月球探测，但没成功，俄罗斯对月球探测也失败了。

我国对星空探测，在工程上全部成功，在载荷上几乎全部成功。

月球探测并非是件容易的事。月球始终以一个面对着地球。目前为止，除了中国以外，其他国家的团队看到的都是月球的正面。月球正面的信号可以直接传到地球。而月球背面的信号，在地球上收不到。而我们中国能做月球背面探测。我们专门发射了一颗卫星（中继星）到地球和月球的外延，就在拉格朗日二点上，大概几万公里吧。就是在地球和月球之间，他会被月球和地球拉着跑，地球就可以把信号通过它发给月球。再从月球通过它返回地球来。

图二.中继星在轨运行示意图

我国和美国曾对月球和火星进行过有关地下浅层结构的探测。美国采用的是星戴雷达，我国采用的是车戴雷达。美国的星戴雷达是在高空200公里的位置上探测，特点是探测范围广，可以对深层探测，但缺点是分辨率低。我国的车戴雷达是在月球或火星的面上探测，是进行区域探测，浅层探测，优点是分辨率高。

图三.行星雷达探测的现状

行星的圈层结构与行星早期的形成和演化过程密切相关，它主要反映了内动力作用。相比之下，行星的浅层结构则与行星晚期的演化过程紧密联系，它主要反映了外动力作用，它保留了撞击和火山活动等地质事件的痕迹。行星内部结构探测能够揭示太阳系类地行星演化的根本规律，是行星科学发展的重要前沿。

图四.行星的内部结构

美国阿波罗任务布设了第一台月震仪，开启了行星圈层结构探测的新时代。车载雷达是探测地下浅层精细结构的重要手段，然而，国际上一直没有在地外天体上开展过相关探测。2013年，我国嫦娥三号任务率先在月球开展了车载雷达探测，开启了行星浅层结构探测的新时代，随后，一直引领着该领域的国际前沿。

从2013年开始，中国科学院地质地球所张金海团队深度参与了我国历次行星车载雷达探测任务。然而，地外观测条件恶劣，车载雷达成像面临巨大挑战，主要源于2个方面：首先，行星长期遭受陨石撞击，地下结构复杂，碎石多、裂隙发育，这种类型的介质会导致雷达波的衰减较强，地下回波信号较弱；此外，这种类型的介质对于数值建模和仿真分析都是极大的挑战。其次，探测的目标是地下结构，但是，地表以上的车体或石块会产生杂波干扰，掩埋地下的有效信号。

图五.车载雷达探测示意图

面对这些挑战，必须在地面工作经验的基础上开发新的方法和手段。基于地震成像研究，于是尝试将该领域的方法推广到行星车载雷达成像领域，并针对新领域面临的新问题，开展了关键技术攻关和方法创新。

首先，开发了杂波与随机噪音压制等雷达数据处理新方法，提高了信号的识别程度；其次，开发了绕射波分离和散射体建模等新方法，为地下结构探测提供了必要的数值模型。进一步，将信号和模型建立联系，开展成像与仿真验证工作，进而获得行星浅层精细结构。该方法体系为我国月球和火星浅层结构探测提供了关键技术支撑。

图六.浅层结构探测

月球背面的南极艾肯盆地是太阳系最古老的撞击坑，它记录了30多亿年以来的地层演化历史。然而，月球背面一直没有开展过着陆探测，因此地下结构一直不清楚，限制了我们对南极艾肯盆地演化历史的了解。2019年，我国嫦娥四号首次实现了月球背面的软着陆，着陆区位于冯卡门撞击坑的东南部。月球车搭载了高频和低频两种雷达，高频的激发和接收天线位于车体的底部，主频是500MHz；低频的激发和接收天线位于车体后方，主频为60MHz。高频和低频雷达联合，旨在探明进路径下方的浅层结构。

图七.浅层结构解释

高频雷达获得的原始数据信噪比很低，地下反射信号难以识别，整个剖面被水平杂波和双曲线形杂波所掩盖。为了压制地表杂波，基于光速偏移，利用自适应窗口把地表杂波孤立出来，再通过偏移和迭代，逐步剔除地表杂波。剔除了地表杂波以后信噪比提升十分明显。但是，底部的信号仍然受到随机噪音的干扰，为此，借鉴了数字图像处理领域的随机噪音压制技术，开发了渐进去噪和多谱法去噪等新方法，有效提升了深部目标的识别能力。与原始数据相比，处理结果使得与结构有关的信号得以凸显，探测深度显著提升。可见，月面以下50米是由溅射物形成的，它们主要来自于附近的撞击坑。值得注意的是，月壤厚度可达12米，月壤的底部呈现出一定的起伏特征，向下逐步过渡到溅射物层。高频雷达成像结果为地质解译提供了关键的结构约束。低频雷达的成像结果中间一段的能量与上下两段相比明显偏弱，鉴别它的地层属性是地质解译的关键，需要开展建模和仿真验证。然而，溅射物和玄武岩通常表现为碎石和裂隙结构，对于这种介质，传统方法难以建模且计算量十分庞大。为此，开发了碎石和裂隙建模新方法，并且提出了更准确和更快速的数值模拟新方法。基于这些新方法，测试了多种可能的模型，最终利用玄武岩破碎带模型复现了嫦娥四号低频雷达剖面的基本特征。该研究厘清了着陆区撞击事件和火山活动的时序关系。

图八.车载雷达探测

与月球相比，火星除了受到撞击和火山作用以外，早期还有水力活动的参与。然而，火星一直没有开展过车载雷达探测，导致浅层精细结构不明。2021年，两台火星车几乎同期登陆火星，它们都首次配备了车载雷达。美国的毅力号着陆于杰泽罗撞击坑，我国的祝融号着陆于乌托邦平原南部，这里曾经是古海洋，至今可能仍然保留着与水力活动有关的地层结构。祝融号火星车搭载了车载雷达，其低频天线的主频为55MHz，旨在通过探测浅层结构揭示乌托邦平原的地质活动历史。然而，低频雷达的原始数据信噪比很低，浅部几乎完全被杂波掩盖。采用前期开发的方法压制地表杂波以后，浅部信号得以凸显，但40米以下仍然难以分辨，几乎被随机噪音淹没。针对这种强噪音弱信号的情况，已有的去噪方法难以奏效。通过实验和分析，发现随机噪音在偏移后不会得到加强，而信号却可以得到显著的聚焦和加强。基于这一发现，提出了一种在偏移域聚焦和提取弱信号的新方法，它能够将强噪音条件下的微弱信号提取出来，深部目标得到了很大改善，80m以上的信号清晰可见，探测深度提高了约一倍。采用前期开发的数值模拟验证方法，分析了潜在的地层形成模式，发现上部可能是小石块的稀疏堆积形成的，而下部则是大石块的密集堆积形成的。进一步开展了数值模拟，其结果与实测剖面的反射模式和波形包络均具有很好的一致性，验证了沉积模式的合理性，为地质解译提供了模型方面的依据。雷达成像的结果可划分为两套沉积层序：上部是厚约20米的细粒层序，下部是厚约50米的粗粒层序，这为推测乌托邦平原的地质过程提供了关键的地层结构约束。

图九.火星浅层地质结构

该论文发表在Nature上。过去十年，针对我国嫦娥三号、四号，天问一号车载雷达的任务需求，攻克了行星车载雷达成像的系列难题，完善了已有方法体系，为我国月球和火星车载雷达探测提供了关键技术支撑，实现了着陆区雷达结构成像，发现了行星早期重大地质事件的关键证据。这些方法和经验对于行星圈层结构成像具有重要的参考意义。

图十.月震波与地震波对比

美国阿波罗任务布设了月震仪，开展了月球圈层结构探测，然而，探测结果存在很大的不确定性。比如，月核大小甚至有无都存在巨大的学术争议，严重制约了月球科学的发展。这主要受到当时仪器性能制约和月球浅层强散射作用的影响。月震记录的波形特征与地面地震的波形特征存在巨大差异，甚至连纵波和横波的初至信号都很难识别，导致在地球上常用的方法对于月震数据难以适用。因此，未来的月球圈层结构探测，除了布设高性能的月震仪以外，必须考虑月球浅层的强散射效应，同时，开发相应的信号处理新方法。

我国嫦娥七号将在月球南极布设一台高性能月震仪，旨在探明月球圈层结构。为此，提出如下研究构想：将前期基于行星车载雷达发展的信号处理和数值模拟等手段拓展到行星圈层结构探测领域，同时，将基于月震仪观测的特殊性，开展单台月震仪关键震相识别新方法以及三维全球尺度长时程模拟等新方法攻关，希望解决深层信号识别和跨尺度数值模拟等关键问题，为月球内部速度结构和物性探测提供技术支撑，旨在更新月球圈层结构模型。

图十一.月球圈层结构探测示意图

目前，已经在跨尺度月震波数值模拟方法上取得了重要进展，突破了在全球模型中局部引入小尺度碎石和裂隙的关键技术，为未来开展系列模型实验奠定了基础。此外，张金海团队提出的月震仪设计方案被嫦娥七号探测任务采纳并立项，目前相关研制进展顺利，已经通过了鉴定件的各项检测和评估。将以承担嫦娥七号月震仪载荷研制为契机，将仪器研发与科学研究紧密衔接，促进月球圈层结构探测，为我国行星内部结构探测事业贡献自己的力量