机载探测平台因其独特的灵活性、覆盖范围与空间分辨率的综合优势，成为当前大尺度冰盖监测不可或缺的技术手段。论文聚焦“开发、集成与部署NASA湾流V飞机先进雷达测深系统用于冰层成像”的研究实践，系统阐述了在严苛工程约束下，机载传感器技术所面临的挑战、所实现的创新突破及其在极地科考中的应用成效。
1.机载探测平台与传感器集成的核心挑战
将高性能多通道相干雷达深度探测器（MCoRDS）集成于NASA湾流V（Gulfstream V）远程喷气式飞机，面临着一系列复杂且相互制约的技术难题。
首先，严格的气动与结构约束是首要挑战，天线阵列必须嵌入机翼与机身的整流罩内，且最大外伸高度被限制在7.62厘米以内。这导致天线单元与用作“地面”的碳纤维复合材料机身之间的距离远小于理想设计的十分之一波长，严重影响了天线的阻抗特性和辐射效率。
其次，电磁环境的非理想性带来了巨大障碍。碳纤维机身的导电性逊于传统金属，而机身的双曲面造型又导致各天线单元的接地间距不一致，进一步恶化了阵列的电磁性能。
此外，机身为维持气压平衡而设置的通风口尺寸接近波长，在VHF频段造成显著的信号泄漏，削弱了地面的反射效果。
最后，系统的小型化、轻量化与高功率需求之间存在矛盾，紧凑的机舱空间要求电子设备高度集成，而雷达系统却需支持每通道1千瓦的峰值发射功率，这对散热和结构可靠性提出了极高要求。
2 面向工程约束的传感器技术创新设计
为应对上述挑战，研究团队通过多学科深度协作，实施了一系列针对性的传感器技术创新。在核心部件天线阵列的设计上，团队摒弃了传统的平面构型，开发了可共形贴合于整流罩内表面的四元U形缝隙贴片天线阵列。天线单元选用1.59厘米厚的铝材，通过特殊的同轴电缆与铜编织带组合式馈电结构，确保了在
针对天线与“地面”间距过小导致的阻抗失配问题，团队设计了一个两级宽带阻抗匹配网络。该网络巧妙地避开了天线谐振点的高品质因数区域，选择在240 MHz附近进行匹配，通过一个串联电感补偿天线的容性电抗，再利用一个铁氧体变压器实现四倍的阻抗变换。通过对每个通道的独立调谐，最终在236至254 MHz的频带内实现了小于10分贝的有源回波损耗。
在雷达电子系统方面，研究团队对发射/接收模块进行了重新封装，将高功率放大器、环形器等高度集成于单一紧凑机箱内，并采用直接采样技术简化了射频链路，成功将整套系统总重控制在180公斤以内，满足了湾流V平台的载荷与空间限制。
3 系统验证与科学应用成效
集成的雷达系统经历了严格的地面测试与飞行验证。在墨西哥湾进行的测试飞行中，系统通过接收平坦海面的镜面反射，成功获取了完整的系统脉冲响应。随后，通过飞机执行大角度滚转机动，精确测量了天线阵列在实际飞行环境中的辐射方向图。实测结果显示，其半功率波束宽度、旁瓣电平与零点位置等关键指标，均与电磁仿真结果高度吻合，验证了设计的有效性。
在后续的南极科学考察任务中，该系统在一个月内完成了19次飞行，总航程超过2万公里，采集了5.5 TB的原始数据。系统成功测绘了南极太平洋西侧海岸区域的冰盖厚度，最大探测深度达到4484米，并实现了优于10米的垂直分辨率，清晰地揭示了冰盖深处的内部层理结构。
4 未来展望
项目所开发的共形天线技术、宽带匹配策略以及紧凑型高功率电子系统，展现了机载传感器技术应对极端工程约束的强大潜力。展望未来，机载探测传感器技术的发展将聚焦于进一步拓宽工作带宽、采用全固态发射机以降低热管理复杂度，并融合人工智能算法以实现数据的机上实时处理，从而更高效地服务于地球系统科学研究的迫切需求。
参考文献：
Development, Integration, and Deployment of an Advanced Radar Depth Sounder for Ice Imaging Onboard the NASA Gulfstream V Aircraft. (2025). IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 18
