北京时间2018年12月8日凌晨2时23分在西昌卫星发射中心，嫦娥四号月球探测器由长征三号乙运载火箭发射升空，踏上奔向月球的旅程。而她的“姐姐”—嫦娥三号已在五年前的2013年12月2日发射升空，并于12月14日在月球正面软着陆。嫦娥三号、四号身上携带了很多用于探月的黑科技，而玉兔号月球车上用于探测月壤结构的探地雷达就是其中之一。
图1 2018年12月8日凌晨2时23分的西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭正在发射，送嫦娥四号月球探测器及玉兔号月球车去月球
图2 嫦娥三号月球探测器在月球正面着陆并释放玉兔号月球车示意动图
图3 嫦娥3号和嫦娥4号，从图上看到，无论是着陆器还是玉兔号月球车，嫦娥4号和嫦娥3号很像，因为嫦娥4号曾经是作为嫦娥3号探测器的备份。现在它们的任务大不相同，嫦娥3号是在月球正面着陆，嫦娥4号将成为人类首个在月球背面软着陆的探测器和月球车。
探地雷达（Ground Penetrating Radar）简称GPR，顾名思义，属于雷达的一种。我们所知的雷达大多数是探测天空中的飞行器或其他目标体。而探地雷达是探测地下或墙体等固体内的结构信息，其原理与雷达一样，由发射端发出电磁波，电磁波经反射回来，被接收端接收。
图4 探地雷达的工作原理
电磁波在空气（含真空）外的大多数介质传播过程中振幅衰减很快，并且频率越高衰减越快，因此探地雷达不像一般的雷达能探测到几百公里到几千公里远甚至外太空中的目标。探地雷达发射的电磁波频率在100MHz-10GHz之间，探测深度一般只有几米到一百多米，有些极高频率的探地雷达探测深度只有几厘米。探地雷达的探测深度也与所探测介质的性质有关，一般湿润、含水的介质探测深度浅；干燥介质探测深度较大，例如不含液态水的冰川，探测深度可达几百米到上千米。
探地雷达仪器简单轻便，仪器分为主机和天线两个部分，通过电缆或者无线连接，主机相当于仪器的“大脑”，控制仪器整个工作。天线负责发射电磁波和接收返回的电磁波。天线的种类很多，外形有棒状和块状。棒状的天线是两根圆棒，其中一根负责作为发射端，另一根作为接收端，用于雷达的电磁波频率较低时。块状天线主要是用于高频电磁波探测，发射端和接收端是天线底部的蝶形区域，又称为蝶形天线。根据探测的深度和精度要求，选择不同的天线或组合。
图5 探地雷达的主机
图6 探地雷达的各式各样的天线
图7 块状底部蝶形天线
各式各样的探地雷达
地面上人拖着探地雷达
图8 人拖动探地雷达进行探测
为了提高探测效率
将探地雷达固定在车上
图9 车载探地雷达
探地雷达很轻便，可以自己推着小车进行探测
图10 探地雷达安装在手推车上
还有更轻便的
图11 单手操作的探地雷达检测墙壁质量
探地雷达的用途
探地雷达虽然探测深度浅，但是精度高，用途非常广泛。比如道路的路基检测、高速公路沥青厚度检测、管线探测、隧道超前预报、冰盖厚度探测、扫雷等。
道路质量检测
道路在修建过程中施工不规范，或者道路在多年的使用过程中，路基在地下水冲刷下，出现裂缝或空洞，如果不及时处理，可能造成路面破裂或者塌陷，威胁人民的生命财产安全。探地雷达能快速完成道路检测，找到路基出现质量问题的位置。
图12 车后面固定探地雷达对道路进行快速检测
图13 某处道路的路基成像，图像显示路基存在裂缝，能很快地找到裂缝的位置
高速公路沥青厚度检测
使用超高频电磁波的探地雷达探测深度只有几厘米，可以用于高速公路的沥青厚度检测，高速公路造价高，沥青价格贵，对于施工方来说，如何将铺设沥青厚度降到低于标准1-2mm，就能省下大笔钱，非法获利。超高频探地雷达的探测深度对于检测沥青厚度足够了，分辨率在毫米级，能检测出沥青厚度是否达标，施工方是否偷工减料，而且可以将探地雷达安装在车上，对路面进行快速扫描，效率高。
城市管线探测
城市地下分布着自来水、污水管、燃气管、电线网线等各种管道，错综复杂。有些管道由于修建时间较早，具体位置不清楚，造成施工时误挖断电线电缆、挖破水管的事时常发生。不仅影响施工，还造成居民断水停电，严重影响居民的生活，浪费社会资源。而探地雷达能有效地识别金属管、塑料管、混凝土管，快速找到管道的位置，整理成资料，为施工提供参考，使施工时能采取措施，避免挖断管线。
图14 工人推着探地雷达在探测地下管道
图15 地下不同管道的探地雷达成像，从图中可以看到，不同的管道在图像中被较清晰地显示出来
隧道超前预报
在隧道挖掘过程中，前面是未知的。如果前面是地下水通道，没有预防措施，直接开挖，可能会发生隧道透水事故，严重威胁人员的生命财产安全。水对探地雷达电磁波影响很大，通过探地雷达探测能判断前方是否存在含水体，如果有含水体，采取相应措施，避免事故发生，做到超前预报。
图16 工人用探地雷达探测前方的信息
探地雷达探测冰川厚度
电磁波在冰川衰减较慢，探测深度可达数千米，并且电磁波在冰川和土壤的分界面会发生强烈的反射。早在20世纪60年代，科学家就开始使用探地雷达探测南极冰川厚度。
图17 雪地车拖着探地雷达在南极探测冰川的厚度
探地雷达的用途还有很多，如墙壁质量检测、探测地雷、考古、行星探测等，探地雷达在各方面都发挥着重要的作用。
图18 车前面安装探地雷达排雷
以上介绍的是地面上的探地雷达，接下来介绍玉兔号月球车上的探地雷达。
嫦娥3号和嫦娥4号月球探测携带的探地雷达安装在玉兔号月球车上，由中国科学院电子学研究所研发。该探地雷达有两种频率的天线，分别是发射100Hz电磁波的棒状天线和玉兔号月球车底部的400Hz的蝶形天线，其中100Hz的天线探测深度超过100米，400Hz天线探测深度为30米，但分辨率更高。主要是用于探测研究月壤及其以下的结构，所以也将该探地雷达称为测月雷达（LPR）。
图19 嫦娥三号的玉兔号月球车和探地雷达天线的位置
玉兔号月球车从2013年12月5号开始移动，到2014年1月15日不能动弹为止，月球车一共前进了120米，探地雷达工作了327分钟，100Hz的天线获取13232道的雷达数据，400Hz的天线获取23975道雷达数据。取得了丰硕的成果，并将研究成果发表在《Science》和《PNAS》等顶尖期刊上。
图20 玉兔号月球车移动的轨迹，提取208个测点的探地雷达数据（Zhang et al, PNAS）
图21 第105-208号测点的探地雷达成像剖面（Zhang et al, PNAS）
图中显示的是第105-208号测点的探地雷达成像剖面，从图中可以看到，浅层的月壤并不是均匀等厚分布，这和以往的认识相反。科学家认为月球在形成后的30多亿年里再也没有发生地质运动。月壤的分布不均匀，说明月球在形成后初期曾发生了较剧烈的地质活动。
嫦娥4号月球探测器预计2019年1月13日着陆在月球背面艾特肯盆地，这将是人类的探测器第一次在月球背面软着陆。月球绕着地球旋转，但是月球永远都是同一面对着地球，称之为月球的正面，人类在地球上几乎看不到月球的背面（除了由于月球的“天秤动”看到背面边缘地带外），因此衍生了包括月球背面有外星人基地等各种神话和传说。直到1959年前苏联的月球3号探测器飞到月球背面并传回照片，人类才第一次看到月球背面的真面容。美苏太空竞赛期间各自分别向月球发射了很多探测器，其中不少探测器在月球表面软着陆，美国阿波罗飞船还将宇航员送到了月球。然而这些活动都是在月球正面进行，到目前为止，还没有探测器在月球背面软着陆。一旦嫦娥4号成功在月球背面软着陆，中国将是第一个实现在月球背面软着陆的国家。玉兔号月球车上探地雷达获得的数据将是第一批关于月球背面地下结构的数据。
月球正面对着地球，背面永远背着地球，所以嫦娥4号月球探测器无法直接和地球通信，中国在2018年5月21日发射了鹊桥号中继卫星，作为嫦娥4号和地球上的西安卫星测控中心保持联系的中继站。
从人类目前对月球的认识来看，月球背面与正面有很大的不同，月球背面的陨石坑比正面多得多，背面的月壳更厚，月球正面的月海很多，但月球背面的月海却只有3个。月球背面比正面崎岖不平，但起伏山峦比正面少。不过人类目前对月球背面所有认识都是通过照片判断的，一切还等待着陆在月球背面的嫦娥4号探测器去揭开。
图22 月球环绕地球，永远是月球正面对着地球
图23 月球的背面和正面，红圈区域为嫦娥4号登陆的地方
图24 鹊桥中继卫星架起嫦娥4号和地球通信的桥梁
中国火星探测器上的探地雷达
2020年，中国将发射火星探测器，一步完成探测火星的“绕”、“落”、“巡”。发射的火星探测器将环绕火星，携带的火星车将在火星软着陆，在火星上前进。火星车上也将携带探地雷达。
水凝固成的水冰是单轴双折射各向异性介质，电磁波在各向异性介质传播过程中，波的极化会发生变化，发生极化反转，而CO2干冰不是单轴双折射各向异性介质。目前美国探测器发现火星地下存在“冰”，但不能确定是否为水冰，因此通过对回波信号的极化特征进行分析，可以进一步确定火星地下是否含有水冰。
图25 中国火星探测器的“绕落巡”示意图
图片资料来自中国航天科技集团、央视新闻、科技日报等微信公众号以及网络和探地雷达相关课件。
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