月球资源人机联合多尺度红外光谱成像探测概念研究

何志平，王建宇，舒 嵘

月球资源人机联合多尺度红外光谱成像探测概念研究

何志平，王建宇，舒 嵘

（中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室，上海200083）

面向载人登月以及月球基地建设的潜在应用需求，在调研分析国内外月面资源探测技术的基础上，开展月球资源多尺度人机联合红外光谱成像探测概念研究。从星载遥感、实地勘察、现场分析三个方面，提出广义人机联合模式下的载人登月选址普查、详查、定点监测，人机联合巡视、手持及可穿戴式现场实地探测及勘察，现场采样及分析完成样品的细分与筛选等关键研究构想。

月球探测；红外光谱；人机联合；光谱成像；多尺度探测

Abstract： To satisfy the potential needs of manned lunar-landing and the lunar base construction，the conceptual research on multi-scale infrared spectral imaging technology for lunar resources exploration based on crew-robot coordination was carried out on the basis of investigation and analysis of lunar surface exploration technologies at home and abroad.General investigation，detailed investigation and fix-point monitoring on manned lunar-landing site in generalized crew-robot coordination mode， as well as the joint crew-robot roving， handheld and wearable in-situ detection were proposed from the respects of satellite remote sensing， field investigation and in-situ analysis.In addition， the key research concepts such as the in-situ sampling and analyzing，as well as the sample screening and categorizing were also put forward.

Key words：lunar exploration； infrared spectrum； crew-robot coordination； spectral imaging； multiscaledetection

1 引言

月球是距离地球最近的天体，也是环绕地球的唯一天然卫星，其独特的空间位置和潜在资源，成为人类开展深空探测的起点和基础［1-2］。20世纪50年代末，美、苏开启了第一次月球探测高潮，取得了包括遥感及着陆原位探测、载人登月及采样返回等一系列突破性的进展。在这一阶段，人类对月球的形状、大小、近地空间环境、月球轨道参数、月球表面构造与特征、月球的岩石类型与化学成分组成、月球的资源与能源、月球内部构造与演化历史等方面开展研究，获得了新的认识［3］。

月球探测一般可分为无人月球探测、载人登月与建设月球基地三阶段。目前为止，只有美国成功完成载人登月任务。各航天大国制定的载人月球探测和月球基地建设计划，最终目标均定为构建有人的永久性月球基地。我国无人月球探测按照“绕”、“落”、“回”三步走的总体部署，已实现了环月卫星探测及月面软着陆探测与月球车勘察，预计2020年前可完成采样返回的预定目标［4］。基于月球探测及载人航天技术的进一步发展，我国在基本完成无人月球探测任务后，将择期开展载人登月和月球基地建设计划。

月球资源的探测与评估手段和技术方法，可分为地基观测、星载遥感、实地勘察三种类别［5-6］。地基观测为人类认识月球提供了初步的、感官的、定性的表面形貌数据；星载遥感完成月面地形地貌，以及月球表面矿物的种类、成分及丰度的数据探测，形成月表地质填图、月表环境建模与分析等成果；实地勘察是月球资源探测最直接、最精确的探测手段，主要包括探测器着陆探测、无人自主采样返回探测、载人登月人机联合探测等三种实施途径。针对载人月球活动及月球基地建设的任务目标，国外已开展内容涵盖月球探测、载人登月和月球基地建设等相关预研工作，但未见系统化的相关人机联合探测技术研究报道［5-7］。

本世纪以来几乎所有的月球探测器均搭载有光谱类载荷，如表1所示。图1为Chandrayaan-1轨道器月球矿物绘图仪所获成像光谱探测数据［8］，图2为CE-3巡视器红外成像光谱仪探测数据［9-10］。通过光谱仪器获取月表目标的光谱及几何特征，可实现月面资源探测与识别、月面特殊环境条件的调查及利用的探测目标，但未见人机联合红外光谱成像探测相关的研究报道。

本文基于载人登月及月球基地建设的远景目标需求，面向人机联合探测应用模式，提出月球多尺度人机联合红外光谱成像探测概念。

表1 月球探测主要光谱载荷［7-10］Table 1 Major spectral payloads on lunar exploration［7-10］

图1 月球矿物绘图仪成像光谱探测数据［8］Fig.1 Spectral imaging detection data obtained by M［8］

图2 红外成像光谱仪探测数据［9-10］Fig.2 Detection data of VNIS［9-10］

2 月球多尺度人机联合光谱成像探测概念设计

载人登月以及月球基地建设必须解决选址问题，通常从战略目标、科学目标、操作约束和资源开发等四方面进行综合考虑。月球上特有的资源是载人月球活动的重要物质支撑，也是对地球资源的潜在补充和储备。

光谱成像仪器以高光谱分辨率获取地物反射的太阳辐射或其自身辐射，可同时获取月面目标的几何及光谱特性。因此，光谱成像技术可以从空间匹配和光谱匹配两个方面对观测目标进行分析和识别，实现对月面地形地貌，月壤、月岩、月尘等矿物的种类、成分及丰度，温度、光照等资源的探测，可以满足载人登月应用需求下的月面资源精细化探测及利用需求。另外，热红外光谱图像能够对月球表面温度和热环境的空间格局及其变化特征进行比较客观、有效的监测，在月表热环境探测中具有重要价值。

面向载人登月以及月球基地建设目标需求，针对月球资源探测及原位利用，本文提出一种多尺度人机联合红外光谱成像探测概念，其方案框图如图3所示，包括星载遥感、实地勘察、现场分析三个方面。

图3 多尺度人机联合光谱成像探测概念设计Fig.3 Concept design of multi-scale infrared spectral imaging detection based on crew-robot coordination

1）星载遥感

基于轨道器平台，实现宏观尺度（m～km量级空间尺度）全月球遥感光谱成像探测，为载人登月、月球基地建设地址选择，以及资源调查提供科学数据。具体为两个方面：分析现有国内外月球成像光谱覆盖数据，结合其他遥感技术的探测成果，全月球普查完成载人登月地址初步选取；根据登月地址资源及环境需求，发射轨道器对初选登月地址及其附近探测区域进行详查探测及定点监测，完成目标区域矿物、水等资源勘探及温度、光照环境等调查任务。

2）实地勘察

基于着陆器及巡视器平台，研制光谱成像仪实现宏观高分辨率尺度（mm～m量级空间尺度）月球目标区域现场勘察的应用目标，特别针对阴影区采用主动照明光谱成像仪进行探测；另一方面，结合航天员活动，配备主动光源的手持或头盔式光谱仪，人机联合实现目标区域的非接触式原位探测。

3）现场分析

基于星载遥感及实地勘查，由航天员现场采样，实现微观尺度（μm～mm量级空间尺度）样品现场分析，完成样品的细分与筛选工作，为持续载人登月以及月球基地建设的月面资源原位探测乃至全方位利用提供参考。

3 星载遥感光谱图像勘查方案设计

利用现有Chandrayaan-1月球矿物绘图仪等国内外月球成像光谱覆盖数据［11］，根据载人登月任务的科学目标、操作约束（地形地貌、可达性、热环境、光照、通讯等）、资源开发等选址约束条件，调查区域矿物、水等资源及温度、光照环境，在全月球范围内普查实现初步选取载人登月地址的目的。图4为利用Chandrayaan-1月球矿物绘图仪成像光谱探测数据处理获得的月球矿产、含水区域及温度分布图，可为载人登月选址提供参考［11］。

基于轨道器平台，根据载人登月任务选址具体资源及环境调查的需求，发射轨道器配备专用谱段成像光谱仪，对初选登月地址及其附近探测区域进行详查探测及定点监测，完成目标区域矿物、水等资源勘探及温度、光照环境等调查任务。

如图5所示，采用二维指向机构，以实现广角目标高灵敏度的特征谱段光谱成像，以及对大范围初选登月地址及其附近探测区域的详细调查。

如图6所示，采用二维指向机构，以实现定点区域多角度高光谱成像观测，对重点监测区域空间、光谱、时间多维数据获取，对登月地址及其附近探测区域实现定点监测调查。

图4 月球矿产、含水区域及温度分布图Fig.4 Distribution of minerals，watery region and temperature on the moon

图5 初选登月地址及其附近探测区域详查示意Fig.5 Schematic diagram of detailed survey on preliminarily selected lunar landing site and its nearby detection zone

图6 登月地址及其附近探测区域定点监测示意Fig.6 Schematic diagram of fixed point monitoring on lunar landing site and its nearby detection zone

4 实地勘察技术方案设计

资源的开发与利用是进行载人月球探测的重要目的之一。根据目前的资料显示，月球矿物富含钛、铁、钍、铀、稀土元素等物质［3］。 月球资源不但是分析月球成分，开展科学研究的重要样本，还可以作为原料，开展月面的资源利用，生产维持月球持续发展的必需品，如氢、氧等。此外，相关资料证实月球上存在水冰资源，这对于人类月球长期生存和发展具有重要价值［5］。现场实地勘察是月球资源探测最直接、最精确的探测手段，主要具有二种实施途径：一是探测器着陆及巡视探测，二是载人登月人机联合探测。

着陆器着陆及巡视探测基于着陆器及巡视器平台，研制光谱成像仪实现宏观高分辨率尺度（mm～m量级空间尺度）月球目标区域现场勘察的应用目标。针对月球的实地勘察探测活动，前苏联在上个世纪70年代成功完成了2次无人月球车巡视勘察，如1970年的“月行者1号”无人月球车，在月面进行了土壤物理特性的科学探测及化学成分分析，拍摄了很多月面照片［6］。我国嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪也是一种实地勘察的典型应用。红外成像光谱仪用于巡视区月表红外光谱分析和成像探测，为巡视区月表矿物组成和分布的分析以及巡视区能源和矿产资源的综合研究提供科学数据［9-10］。

如图7所示，红外成像光谱仪具备可见近红外谱段（0.45～0.95 μm）的光谱成像及短波红外谱段（0.9～2.4 μm）的光谱探测功能，它基于月球巡视器静止平台，在巡视器停止时，在0.69 m的高度以45°视角对巡视区月表目标进行就位光谱成像探测，实现无人现场实地勘察。

图7 嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪探测示意Fig.7 Detection diagram of VNIS aboard the Chang’e-3 rover

月面资源现场实地勘察通常是人机联合作业的一项重要任务，是进行月球资源开发与利用的前提条件，通过资源勘察作业了解资源的种类和分布，以便进行针对性样品采集和资源获取［5］。美国阿波罗载人登月任务中，通过探测器、月球车、航天员、科学探测仪器、手持式采样作业机具等组成了载人登月模式下典型的“人器机环境”系统，形成了月面人机联合探测概念的雏形［6］。由于有了航天员的现场决策，由航天员手持或由月球车运载，在目标点布置科学探测仪器，相比于无人自主探测，能够开展的科学实验更为丰富。如图8所示，根据载人登月任务的具体科学目标及资源、环境调查需求，载人登月人机联合探测设计基于配备车载、便携式及可穿戴式的专用谱段主动照明成像光谱仪，从而可实现目标区域特别是阴影区的非接触式原位探测，实现现场实地勘察的目的。

图8 人机联合月面资源勘探技术方案示意Fig.8 Schematic diagram of lunar resource exploration based on crew-robot coordinated

5 现场分析方案设计

苏联在上个世纪70年代成功完成了3次月球无人自主采样返回工作。1970—1976年间，苏联成功发射了Luna16、Luna20、Luna24无人自主钻取采样探测器，通过钻取的方式成功从月球采回月壤剖面样本共计约 320 g［6］。 1969—1972年，美国成功实施了6次载人登月活动，开展了月面资源的人机联合探测和样本采集，带回了约380 kg 月球样本［6］。

相比于苏联的无人钻取采样，美国航天员获取的样本类型和形态更为多样、样本采集前后的环境支持信息获取更为充分，为返回地球后开展详实的科学分析奠定了基础。限于当时的技术水平，上世纪美、俄未开展真正意义上的样品月面现场分析及原位利用工作。

基于星载遥感及实地勘查，本文提出由航天员现场采样，通过现场分析仪器实现微观尺度（μm～mm量级空间尺度）样品现场分析，完成样品的细分与筛选工作，为月面资源原位利用及高效采样返回利用提供参考，如图9所示。

图9 现场分析及样品细分、筛选示意Fig.9 Schematic diagram of in-situ analysis，sample screening and categorizing

6 结论

面向人机联合探测应用模式，基于轨道器平台的宏观尺度（m～km量级）全月球遥感光谱成像探测、结合着陆器及巡视器平台的宏观高分辨率尺度（mm～m量级）月球目标区域现场勘察、以及微观尺度（μm～mm量级）样品现场分析形成了月球多尺度人机联合红外光谱成像探测概念设计，该设计可为月面资源探测与识别、月面特殊环境条件的调查及利用、月面资源的勘察与利用等方面提供借鉴，为载人登月开展有针对性的月球资源探测提供依据，为我国载人登月以及月球基地的建设规划提供参考。

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（责任编辑：庞迎春）

Conceptual Research on Multi-scale Infrared Spectral Imaging Technology in Lunar Resources Exploration Based on Crew-robot Coordination

HE Zhiping， WANG Jianyu， SHU Rong
（ Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics， Technology，Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China）

V476.3

A

1674-5825（2017）05-0597-05

2016-08-15；

2017-08-07

国家自然科学基金（21105109）

何志平，男，博士，研究员，研究方向为空间光学及光电探测技术。E-mail：hzping＠mail.sitp.ac.cn