北京時間2018年12月8日凌晨2時23分在西昌衛星發射中心，嫦娥四號月球探測器由長征三號乙運載火箭發射升空，踏上奔向月球的旅程。而她的“姐姐”—嫦娥三號已在五年前的2013年12月2日發射升空，並於12月14日在月球正面軟著陸。嫦娥三號、四號身上攜帶了很多用於探月的黑科技，而玉兔號月球車上用於探測月壤結構的探地雷達就是其中之一。
圖1 2018年12月8日凌晨2時23分的西昌衛星發射中心，長征三號乙運載火箭正在發射，送嫦娥四號月球探測器及玉兔號月球車去月球
圖2 嫦娥三號月球探測器在月球正面著陸並釋放玉兔號月球車示意動圖
圖3 嫦娥3號和嫦娥4號，從圖上看到，無論是著陸器還是玉兔號月球車，嫦娥4號和嫦娥3號很像，因為嫦娥4號曾經是作為嫦娥3號探測器的備份。現在它們的任務大不相同，嫦娥3號是在月球正面著陸，嫦娥4號將成為人類首個在月球背面軟著陸的探測器和月球車。
探地雷達（Ground Penetrating Radar）簡稱GPR，顧名思義，屬於雷達的一種。我們所知的雷達大多數是探測天空中的飛行器或其他目標體。而探地雷達是探測地下或牆體等固體內的結構信息，其原理與雷達一樣，由發射端發出電磁波，電磁波經反射回來，被接收端接收。
圖4 探地雷達的工作原理
電磁波在空氣（含真空）外的大多數介質傳播過程中振幅衰減很快，並且頻率越高衰減越快，因此探地雷達不像一般的雷達能探測到幾百公里到幾千公里遠甚至外太空中的目標。探地雷達發射的電磁波頻率在100MHz-10GHz之間，探測深度一般只有幾米到一百多米，有些極高頻率的探地雷達探測深度只有幾釐米。探地雷達的探測深度也與所探測介質的性質有關，一般溼潤、含水的介質探測深度淺；乾燥介質探測深度較大，例如不含液態水的冰川，探測深度可達幾百米到上千米。
探地雷達儀器簡單輕便，儀器分為主機和天線兩個部分，通過電纜或者無線連接，主機相當於儀器的“大腦”，控制儀器整個工作。天線負責發射電磁波和接收返回的電磁波。天線的種類很多，外形有棒狀和塊狀。棒狀的天線是兩根圓棒，其中一根負責作為發射端，另一根作為接收端，用於雷達的電磁波頻率較低時。塊狀天線主要是用於高頻電磁波探測，發射端和接收端是天線底部的蝶形區域，又稱為蝶形天線。根據探測的深度和精度要求，選擇不同的天線或組合。
圖5 探地雷達的主機
圖6 探地雷達的各式各樣的天線
圖7 塊狀底部蝶形天線
各式各樣的探地雷達
地面上人拖著探地雷達
圖8 人拖動探地雷達進行探測
為了提高探測效率
將探地雷達固定在車上
圖9 車載探地雷達
探地雷達很輕便，可以自己推著小車進行探測
圖10 探地雷達安裝在手推車上
還有更輕便的
圖11 單手操作的探地雷達檢測牆壁質量
探地雷達的用途
探地雷達雖然探測深度淺，但是精度高，用途非常廣泛。比如道路的路基檢測、高速公路瀝青厚度檢測、管線探測、隧道超前預報、冰蓋厚度探測、掃雷等。
道路質量檢測
道路在修建過程中施工不規範，或者道路在多年的使用過程中，路基在地下水沖刷下，出現裂縫或空洞，如果不及時處理，可能造成路面破裂或者塌陷，威脅人民的生命財產安全。探地雷達能快速完成道路檢測，找到路基出現質量問題的位置。
圖12 車後面固定探地雷達對道路進行快速檢測
圖13 某處道路的路基成像，圖像顯示路基存在裂縫，能很快地找到裂縫的位置
高速公路瀝青厚度檢測
使用超高頻電磁波的探地雷達探測深度只有幾釐米，可以用於高速公路的瀝青厚度檢測，高速公路造價高，瀝青價格貴，對於施工方來說，如何將鋪設瀝青厚度降到低於標準1-2mm，就能省下大筆錢，非法獲利。超高頻探地雷達的探測深度對於檢測瀝青厚度足夠了，分辨率在毫米級，能檢測出瀝青厚度是否達標，施工方是否偷工減料，而且可以將探地雷達安裝在車上，對路面進行快速掃描，效率高。
城市管線探測
城市地下分佈著自來水、汙水管、燃氣管、電線網線等各種管道，錯綜複雜。有些管道由於修建時間較早，具體位置不清楚，造成施工時誤挖斷電線電纜、挖破水管的事時常發生。不僅影響施工，還造成居民斷水停電，嚴重影響居民的生活，浪費社會資源。而探地雷達能有效地識別金屬管、塑料管、混凝土管，快速找到管道的位置，整理成資料，為施工提供參考，使施工時能採取措施，避免挖斷管線。
圖14 工人推著探地雷達在探測地下管道
圖15 地下不同管道的探地雷達成像，從圖中可以看到，不同的管道在圖像中被較清晰地顯示出來
隧道超前預報
在隧道挖掘過程中，前面是未知的。如果前面是地下水通道，沒有預防措施，直接開挖，可能會發生隧道透水事故，嚴重威脅人員的生命財產安全。水對探地雷達電磁波影響很大，通過探地雷達探測能判斷前方是否存在含水體，如果有含水體，採取相應措施，避免事故發生，做到超前預報。
圖16 工人用探地雷達探測前方的信息
探地雷達探測冰川厚度
電磁波在冰川衰減較慢，探測深度可達數千米，並且電磁波在冰川和土壤的分界面會發生強烈的反射。早在20世紀60年代，科學家就開始使用探地雷達探測南極冰川厚度。
圖17 雪地車拖著探地雷達在南極探測冰川的厚度
探地雷達的用途還有很多，如牆壁質量檢測、探測地雷、考古、行星探測等，探地雷達在各方面都發揮著重要的作用。
圖18 車前面安裝探地雷達排雷
以上介紹的是地面上的探地雷達，接下來介紹玉兔號月球車上的探地雷達。
嫦娥3號和嫦娥4號月球探測攜帶的探地雷達安裝在玉兔號月球車上，由中國科學院電子學研究所研發。該探地雷達有兩種頻率的天線，分別是發射100Hz電磁波的棒狀天線和玉兔號月球車底部的400Hz的蝶形天線，其中100Hz的天線探測深度超過100米，400Hz天線探測深度為30米，但分辨率更高。主要是用於探測研究月壤及其以下的結構，所以也將該探地雷達稱為測月雷達（LPR）。
圖19 嫦娥三號的玉兔號月球車和探地雷達天線的位置
玉兔號月球車從2013年12月5號開始移動，到2014年1月15日不能動彈為止，月球車一共前進了120米，探地雷達工作了327分鐘，100Hz的天線獲取13232道的雷達數據，400Hz的天線獲取23975道雷達數據。取得了豐碩的成果，並將研究成果發表在《Science》和《PNAS》等頂尖期刊上。
圖20 玉兔號月球車移動的軌跡，提取208個測點的探地雷達數據（Zhang et al, PNAS）
圖21 第105-208號測點的探地雷達成像剖面（Zhang et al, PNAS）
圖中顯示的是第105-208號測點的探地雷達成像剖面，從圖中可以看到，淺層的月壤並不是均勻等厚分佈，這和以往的認識相反。科學家認為月球在形成後的30多億年裡再也沒有發生地質運動。月壤的分佈不均勻，說明月球在形成後初期曾發生了較劇烈的地質活動。
嫦娥4號月球探測器預計2019年1月13日著陸在月球背面艾特肯盆地，這將是人類的探測器第一次在月球背面軟著陸。月球繞著地球旋轉，但是月球永遠都是同一面對著地球，稱之為月球的正面，人類在地球上幾乎看不到月球的背面（除了由於月球的“天秤動”看到背面邊緣地帶外），因此衍生了包括月球背面有外星人基地等各種神話和傳說。直到1959年前蘇聯的月球3號探測器飛到月球背面並傳回照片，人類才第一次看到月球背面的真面容。美蘇太空競賽期間各自分別向月球發射了很多探測器，其中不少探測器在月球表面軟著陸，美國阿波羅飛船還將宇航員送到了月球。然而這些活動都是在月球正面進行，到目前為止，還沒有探測器在月球背面軟著陸。一旦嫦娥4號成功在月球背面軟著陸，中國將是第一個實現在月球背面軟著陸的國家。玉兔號月球車上探地雷達獲得的數據將是第一批關於月球背面地下結構的數據。
月球正面對著地球，背面永遠揹著地球，所以嫦娥4號月球探測器無法直接和地球通信，中國在2018年5月21日發射了鵲橋號中繼衛星，作為嫦娥4號和地球上的西安衛星測控中心保持聯繫的中繼站。
從人類目前對月球的認識來看，月球背面與正面有很大的不同，月球背面的隕石坑比正面多得多，背面的月殼更厚，月球正面的月海很多，但月球背面的月海卻只有3個。月球背面比正面崎嶇不平，但起伏山巒比正面少。不過人類目前對月球背面所有認識都是通過照片判斷的，一切還等待著陸在月球背面的嫦娥4號探測器去揭開。
圖22 月球環繞地球，永遠是月球正面對著地球
圖23 月球的背面和正面，紅圈區域為嫦娥4號登陸的地方
圖24 鵲橋中繼衛星架起嫦娥4號和地球通信的橋樑
中國火星探測器上的探地雷達
2020年，中國將發射火星探測器，一步完成探測火星的“繞”、“落”、“巡”。發射的火星探測器將環繞火星，攜帶的火星車將在火星軟著陸，在火星上前進。火星車上也將攜帶探地雷達。
水凝固成的水冰是單軸雙折射各向異性介質，電磁波在各向異性介質傳播過程中，波的極化會發生變化，發生極化反轉，而CO2乾冰不是單軸雙折射各向異性介質。目前美國探測器發現火星地下存在“冰”，但不能確定是否為水冰，因此通過對回波信號的極化特徵進行分析，可以進一步確定火星地下是否含有水冰。
圖25 中國火星探測器的“繞落巡”示意圖
圖片資料來自中國航天科技集團、央視新聞、科技日報等微信公眾號以及網絡和探地雷達相關課件。
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