月球資源人機聯合多尺度紅外光譜成像探測概念研究

何志平，王建宇，舒 嶸

月球資源人機聯合多尺度紅外光譜成像探測概念研究

何志平，王建宇，舒 嶸

（中國科學院上海技術物理研究所空間主動光電技術重點實驗室，上海200083）

面向載人登月以及月球基地建設的潛在應用需求，在調研分析國內外月面資源探測技術的基礎上，開展月球資源多尺度人機聯合紅外光譜成像探測概念研究。從星載遙感、實地勘察、現場分析三個方面，提出廣義人機聯合模式下的載人登月選址普查、詳查、定點監測，人機聯合巡視、手持及可穿戴式現場實地探測及勘察，現場采樣及分析完成樣品的細分與篩選等關鍵研究構想。

月球探測；紅外光譜；人機聯合；光譜成像；多尺度探測

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

月球是距離地球最近的天體，也是環繞地球的唯一天然衛星，其獨特的空間位置和潛在資源，成為人類開展深空探測的起點和基礎［1-2］。20世紀50年代末，美、蘇開啟了第一次月球探測高潮，取得了包括遙感及著陸原位探測、載人登月及采樣返回等一系列突破性的進展。在這一階段，人類對月球的形狀、大小、近地空間環境、月球軌道參數、月球表面構造與特征、月球的巖石類型與化學成分組成、月球的資源與能源、月球內部構造與演化歷史等方面開展研究，獲得了新的認識［3］。

月球探測一般可分為無人月球探測、載人登月與建設月球基地三階段。目前為止，只有美國成功完成載人登月任務。各航天大國制定的載人月球探測和月球基地建設計劃，最終目標均定為構建有人的永久性月球基地。我國無人月球探測按照“繞”、“落”、“回”三步走的總體部署，已實現了環月衛星探測及月面軟著陸探測與月球車勘察，預計2020年前可完成采樣返回的預定目標［4］。基于月球探測及載人航天技術的進一步發展，我國在基本完成無人月球探測任務后，將擇期開展載人登月和月球基地建設計劃。

月球資源的探測與評估手段和技術方法，可分為地基觀測、星載遙感、實地勘察三種類別［5-6］。地基觀測為人類認識月球提供了初步的、感官的、定性的表面形貌數據；星載遙感完成月面地形地貌，以及月球表面礦物的種類、成分及豐度的數據探測，形成月表地質填圖、月表環境建模與分析等成果；實地勘察是月球資源探測最直接、最精確的探測手段，主要包括探測器著陸探測、無人自主采樣返回探測、載人登月人機聯合探測等三種實施途徑。針對載人月球活動及月球基地建設的任務目標，國外已開展內容涵蓋月球探測、載人登月和月球基地建設等相關預研工作，但未見系統化的相關人機聯合探測技術研究報道［5-7］。

本世紀以來幾乎所有的月球探測器均搭載有光譜類載荷，如表1所示。圖1為Chandrayaan-1軌道器月球礦物繪圖儀所獲成像光譜探測數據［8］，圖2為CE-3巡視器紅外成像光譜儀探測數據［9-10］。通過光譜儀器獲取月表目標的光譜及幾何特征，可實現月面資源探測與識別、月面特殊環境條件的調查及利用的探測目標，但未見人機聯合紅外光譜成像探測相關的研究報道。

本文基于載人登月及月球基地建設的遠景目標需求，面向人機聯合探測應用模式，提出月球多尺度人機聯合紅外光譜成像探測概念。

表1 月球探測主要光譜載荷［7-10］Table 1 Major spectral payloads on lunar exploration［7-10］

圖1 月球礦物繪圖儀成像光譜探測數據［8］Fig.1 Spectral imaging detection data obtained by M［8］

圖2 紅外成像光譜儀探測數據［9-10］Fig.2 Detection data of VNIS［9-10］

2 月球多尺度人機聯合光譜成像探測概念設計

載人登月以及月球基地建設必須解決選址問題，通常從戰略目標、科學目標、操作約束和資源開發等四方面進行綜合考慮。月球上特有的資源是載人月球活動的重要物質支撐，也是對地球資源的潛在補充和儲備。

光譜成像儀器以高光譜分辨率獲取地物反射的太陽輻射或其自身輻射，可同時獲取月面目標的幾何及光譜特性。因此，光譜成像技術可以從空間匹配和光譜匹配兩個方面對觀測目標進行分析和識別，實現對月面地形地貌，月壤、月巖、月塵等礦物的種類、成分及豐度，溫度、光照等資源的探測，可以滿足載人登月應用需求下的月面資源精細化探測及利用需求。另外，熱紅外光譜圖像能夠對月球表面溫度和熱環境的空間格局及其變化特征進行比較客觀、有效的監測，在月表熱環境探測中具有重要價值。

面向載人登月以及月球基地建設目標需求，針對月球資源探測及原位利用，本文提出一種多尺度人機聯合紅外光譜成像探測概念，其方案框圖如圖3所示，包括星載遙感、實地勘察、現場分析三個方面。

圖3 多尺度人機聯合光譜成像探測概念設計Fig.3 Concept design of multi-scale infrared spectral imaging detection based on crew-robot coordination

1）星載遙感

基于軌道器平臺，實現宏觀尺度（m～km量級空間尺度）全月球遙感光譜成像探測，為載人登月、月球基地建設地址選擇，以及資源調查提供科學數據。具體為兩個方面：分析現有國內外月球成像光譜覆蓋數據，結合其他遙感技術的探測成果，全月球普查完成載人登月地址初步選取；根據登月地址資源及環境需求，發射軌道器對初選登月地址及其附近探測區域進行詳查探測及定點監測，完成目標區域礦物、水等資源勘探及溫度、光照環境等調查任務。

2）實地勘察

基于著陸器及巡視器平臺，研制光譜成像儀實現宏觀高分辨率尺度（mm～m量級空間尺度）月球目標區域現場勘察的應用目標，特別針對陰影區采用主動照明光譜成像儀進行探測；另一方面，結合航天員活動，配備主動光源的手持或頭盔式光譜儀，人機聯合實現目標區域的非接觸式原位探測。

3）現場分析

基于星載遙感及實地勘查，由航天員現場采樣，實現微觀尺度（μm～mm量級空間尺度）樣品現場分析，完成樣品的細分與篩選工作，為持續載人登月以及月球基地建設的月面資源原位探測乃至全方位利用提供參考。

3 星載遙感光譜圖像勘查方案設計

利用現有Chandrayaan-1月球礦物繪圖儀等國內外月球成像光譜覆蓋數據［11］，根據載人登月任務的科學目標、操作約束（地形地貌、可達性、熱環境、光照、通訊等）、資源開發等選址約束條件，調查區域礦物、水等資源及溫度、光照環境，在全月球范圍內普查實現初步選取載人登月地址的目的。圖4為利用Chandrayaan-1月球礦物繪圖儀成像光譜探測數據處理獲得的月球礦產、含水區域及溫度分布圖，可為載人登月選址提供參考［11］。

基于軌道器平臺，根據載人登月任務選址具體資源及環境調查的需求，發射軌道器配備專用譜段成像光譜儀，對初選登月地址及其附近探測區域進行詳查探測及定點監測，完成目標區域礦物、水等資源勘探及溫度、光照環境等調查任務。

如圖5所示，采用二維指向機構，以實現廣角目標高靈敏度的特征譜段光譜成像，以及對大范圍初選登月地址及其附近探測區域的詳細調查。

如圖6所示，采用二維指向機構，以實現定點區域多角度高光譜成像觀測，對重點監測區域空間、光譜、時間多維數據獲取，對登月地址及其附近探測區域實現定點監測調查。

圖4 月球礦產、含水區域及溫度分布圖Fig.4 Distribution of minerals，watery region and temperature on the moon

圖5 初選登月地址及其附近探測區域詳查示意Fig.5 Schematic diagram of detailed survey on preliminarily selected lunar landing site and its nearby detection zone

圖6 登月地址及其附近探測區域定點監測示意Fig.6 Schematic diagram of fixed point monitoring on lunar landing site and its nearby detection zone

4 實地勘察技術方案設計

資源的開發與利用是進行載人月球探測的重要目的之一。根據目前的資料顯示，月球礦物富含鈦、鐵、釷、鈾、稀土元素等物質［3］。 月球資源不但是分析月球成分，開展科學研究的重要樣本，還可以作為原料，開展月面的資源利用，生產維持月球持續發展的必需品，如氫、氧等。此外，相關資料證實月球上存在水冰資源，這對于人類月球長期生存和發展具有重要價值［5］。現場實地勘察是月球資源探測最直接、最精確的探測手段，主要具有二種實施途徑：一是探測器著陸及巡視探測，二是載人登月人機聯合探測。

著陸器著陸及巡視探測基于著陸器及巡視器平臺，研制光譜成像儀實現宏觀高分辨率尺度（mm～m量級空間尺度）月球目標區域現場勘察的應用目標。針對月球的實地勘察探測活動，前蘇聯在上個世紀70年代成功完成了2次無人月球車巡視勘察，如1970年的“月行者1號”無人月球車，在月面進行了土壤物理特性的科學探測及化學成分分析，拍攝了很多月面照片［6］。我國嫦娥三號巡視器載紅外成像光譜儀也是一種實地勘察的典型應用。紅外成像光譜儀用于巡視區月表紅外光譜分析和成像探測，為巡視區月表礦物組成和分布的分析以及巡視區能源和礦產資源的綜合研究提供科學數據［9-10］。

如圖7所示，紅外成像光譜儀具備可見近紅外譜段（0.45～0.95 μm）的光譜成像及短波紅外譜段（0.9～2.4 μm）的光譜探測功能，它基于月球巡視器靜止平臺，在巡視器停止時，在0.69 m的高度以45°視角對巡視區月表目標進行就位光譜成像探測，實現無人現場實地勘察。

圖7 嫦娥三號巡視器載紅外成像光譜儀探測示意Fig.7 Detection diagram of VNIS aboard the Chang’e-3 rover

月面資源現場實地勘察通常是人機聯合作業的一項重要任務，是進行月球資源開發與利用的前提條件，通過資源勘察作業了解資源的種類和分布，以便進行針對性樣品采集和資源獲取［5］。美國阿波羅載人登月任務中，通過探測器、月球車、航天員、科學探測儀器、手持式采樣作業機具等組成了載人登月模式下典型的“人器機環境”系統，形成了月面人機聯合探測概念的雛形［6］。由于有了航天員的現場決策，由航天員手持或由月球車運載，在目標點布置科學探測儀器，相比于無人自主探測，能夠開展的科學實驗更為豐富。如圖8所示，根據載人登月任務的具體科學目標及資源、環境調查需求，載人登月人機聯合探測設計基于配備車載、便攜式及可穿戴式的專用譜段主動照明成像光譜儀，從而可實現目標區域特別是陰影區的非接觸式原位探測，實現現場實地勘察的目的。

圖8 人機聯合月面資源勘探技術方案示意Fig.8 Schematic diagram of lunar resource exploration based on crew-robot coordinated

5 現場分析方案設計

蘇聯在上個世紀70年代成功完成了3次月球無人自主采樣返回工作。1970—1976年間，蘇聯成功發射了Luna16、Luna20、Luna24無人自主鉆取采樣探測器，通過鉆取的方式成功從月球采回月壤剖面樣本共計約 320 g［6］。 1969—1972年，美國成功實施了6次載人登月活動，開展了月面資源的人機聯合探測和樣本采集，帶回了約380 kg 月球樣本［6］。

相比于蘇聯的無人鉆取采樣，美國航天員獲取的樣本類型和形態更為多樣、樣本采集前后的環境支持信息獲取更為充分，為返回地球后開展詳實的科學分析奠定了基礎。限于當時的技術水平，上世紀美、俄未開展真正意義上的樣品月面現場分析及原位利用工作。

基于星載遙感及實地勘查，本文提出由航天員現場采樣，通過現場分析儀器實現微觀尺度（μm～mm量級空間尺度）樣品現場分析，完成樣品的細分與篩選工作，為月面資源原位利用及高效采樣返回利用提供參考，如圖9所示。

圖9 現場分析及樣品細分、篩選示意Fig.9 Schematic diagram of in-situ analysis，sample screening and categorizing

6 結論

面向人機聯合探測應用模式，基于軌道器平臺的宏觀尺度（m～km量級）全月球遙感光譜成像探測、結合著陸器及巡視器平臺的宏觀高分辨率尺度（mm～m量級）月球目標區域現場勘察、以及微觀尺度（μm～mm量級）樣品現場分析形成了月球多尺度人機聯合紅外光譜成像探測概念設計，該設計可為月面資源探測與識別、月面特殊環境條件的調查及利用、月面資源的勘察與利用等方面提供借鑒，為載人登月開展有針對性的月球資源探測提供依據，為我國載人登月以及月球基地的建設規劃提供參考。

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（責任編輯：龐迎春）

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

國家自然科學基金（21105109）

何志平，男，博士，研究員，研究方向為空間光學及光電探測技術。E-mail：hzping＠mail.sitp.ac.cn