天问一号火星车穿透雷达低频数据处理与特征

为什么探查火星下方很重要

几十年来，科学家们一直在探讨火星是否曾拥有北半球的海洋。那条古老海岸线的痕迹若曾存在，如今被尘土与岩石掩埋。中国的祝融号火星车（天问一号任务的一部分）搭载了一台低频地质穿透雷达，能够“看到”火星表面下约100米的深处。本文说明研究人员如何仔细清理和分析这些雷达数据，以及他们的发现：倾斜埋藏的地层非常类似沿海沉积物，为曾经消失的火星海洋提供了新的线索。

隐藏的火星两分

火星呈现出两种迥异的面貌。南部地势高、地形崎岖，布满古老撞击坑；北部则更低、更平坦，包含一大片称为乌托邦平原的区域。沿着这两区分界的许多地貌——峡谷、三角洲和湖泊盆地——都表明水曾沿坡而下流入北部低地，可能形成覆盖约三分之一行星表面的海洋。如今在乌托邦平原，悬崖状凹陷和多边形地面等奇特形态暗示着埋藏的冰，但关于这片疑似海洋的详细历史仍然难以掌握，因为关键证据藏在地下。

一辆会“听”地下的火星车

祝融号于2021年5月在乌托邦平原南部着陆，并在一周后开始行驶。安装在底盘上的双通道雷达系统称为火星车穿透雷达（RoPeR）。其中一路使用较高频率以细致绘制浅层特征；另一路——本研究的重点——使用15到95兆赫之间的低频信号，能达到约100米的深度。随着火星车行驶近两公里，低频雷达向地下重复发射脉冲并记录回波，逐步绘制出沿行进路线下方的连续隐伏层剖面。

清理嘈杂的地下图像

行驶中的火星车采得的原始雷达数据通常很杂乱。回波不仅来自地下层位，还会来自车体自身和正下方的地表，雷达的时间定位在各个记录间也会有细微漂移。团队首先下载了所有公开发布的数据，并将109个独立文件合并为单一一致的数据集。他们去除了不含地质信息的内部“自检”脉冲，使用互相关方法校正微小的时间偏移以对齐波形，并对部分数据重新采样，使沿行驶路径的测点间距统一为25厘米。随后他们应用了一系列常规处理步骤——能量归一化、去除恒定偏移与宽带背景信号、滤除不需要的频率、剪除早期时间伪影以及增强深部回波——以强化真实的地下反射。

确定信号能见多深

一个关键问题是雷达实际能探测到多深的真实结构，而不是仅仅噪声。研究人员分析了每次脉冲后平均信号强度及其变异随时间（对应深度）的变化。两项指标都随着延迟稳步下降并在某一延迟处趋于平缓，表明有意义的回波与背景噪声在此处混合。他们认为，在每次脉冲后约1.5微秒内记录的信号仍携带地质信息，而更晚的信号主要是噪声。这使他们能够聚焦在仪器确实能够分辨的深度范围内。

显现出埋藏的倾斜地层

在清理数据后，团队使用一种称为偏移校正（migration）的技术，将反射重新定位到其正确的地下位置，并在假定合理电学参数的前提下将信号行程时间转换为深度。随后他们利用祝融号导航相机的高程数据校正了表面高度的细微变化，以便沿整个轨迹公平地比较地下层位。最终的雷达剖面显示出一系列明显的反射面——明亮、弧形的带状反射——在距表面约10到35米之间向北部低地区域倾斜。研究人员测量了76个此类地层的方位、深度和倾角，发现它们的倾角和排列方式与在海岸线处前侵沉积边坡常见的铺展沉积相一致。

这对火星失落海洋意味着什么

为了让成果更有广泛价值，作者不仅公开了原始与处理后的雷达剖面，还发布了处理代码与76处倾斜反射面的所有测量数据。与早期研究的独立比较显示，他们的方法在不引入明显伪影的情况下，改善了浅层结构的清晰度。对非专业读者来说，最重要的结论是：通过仔细聆听火星表面下微弱的回波，科学家们正在绘制出看似古老的沿海沉积体在乌托邦平原中的分布。这些埋藏的倾斜地层为北部低地曾被大面积水体填满的观点增加了证据——其海岸线虽已不再可见，但仍写在地下。

引用: Li, J., Chen, Z., Meng, X. et al. Low-Frequency Data Processing and Characteristics of Tianwen-1 Mars Rover Penetrating Radar. Sci Data 13, 674 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-07034-4

关键词: 火星海洋, 地质穿透雷达, 乌托邦平原, 祝融号火星车, 火星地下层