水冰是月球上最重要的资源之一，存在于极区，未来十年包括美国Artemis登月、中国嫦娥七号和嫦娥八号等月球探测任务均瞄准月球南极，水冰的探测已经成为月球研究的热点。前人的研究已通过多种手段表明月球南极地区永久阴影区中存在水冰，但水冰的含量、分布以及存在形式等问题仍然不清楚。

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理学科中心非相干散射雷达项目组联合国家天文台和国家空间科学中心，利用三亚非相干散射雷达（SYISR）与500米口径球面射电望远镜（FAST）组成的70cm波长地基双站雷达系统，对月球南极地区进行了雷达遥感观测（如图1）。利用FAST的高灵敏度优势和双圆极化信号接收能力，并应用距离多普勒成像技术，本次联合实验获取了月球南极地区雷达回波圆极化比（CPR）月表二维分布图像（如图2b）。依据前人的研究，通常干燥的硅酸盐风化层的行星表面雷达CPR在0.4~0.5左右，若存在大面积的层状冰，雷达CPR会出现大面积连续增强至大于1的现象。探测结果显示没有层状冰相对应的大面积CPR连续增强特征，但结合Diviner月球辐射计获取的月表温度数据以及月船1号月球矿物成像仪（M³）诊断的月表暴露的水冰位置信息，在月球南极地区部分永久阴影区中发现疑似碎冰产生的斑块状CPR增强特征。这种以碎块或颗粒的形式混合在风化层中的水冰会通过相干后向散射对抗效应（CBOE）增强雷达CPR。

图1 三亚非相干散射雷达（SYISR）和500米口径球面射电望远镜（FAST）地基双站雷达月球成像实验观测几何示意图。注：BA：双站角。BW：波束宽度

基于SYISR与FAST地基双站雷达系统获取的月球南极雷达CPR数据，考虑准镜面散射、漫散射以及以CBOE为主的体散射机制，该研究对月球含碎冰风化层在雷达CPR中的响应进行了经验建模。模型分别考虑了无冰月壤以及纯冰情况下，不同雷达入射角时CPR的响应，并将这两种情况进行一定比例的混合来模拟一定水冰含量的月球风化层在雷达CPR上的表征。该模型也可以作为反演工具，将雷达实测的CPR和入射角信息作为输入，反演得到水冰含量。

碎冰产生的斑块状CPR增强较弱，与石块产生的粗糙度贡献难以区分。该研究忽略石块对CPR的贡献，使用上述模型对月球南极地区的水冰含量上限进行了反演估计。为了尽可能排除粗糙度导致的CPR增强被误识别的可能性，通过M³诊断的月表暴露冰位置以及Diviner测得的年月表最大温度数据对水冰分布进行了约束。最终反演结果显示70cm波长雷达探测到的月球南极水冰含量上限为0-6 wt.%（如图2d所示，随分布区域不同而有所差异），这些水冰推测以米级尺度冰碎块的形式存在于十米深的月球风化层中。

图2 月球南极地区（84°-90°S）的多手段数据综合分析图以及水冰含量分布图。(a)，月球南极地区的全年月表最高温度图，低于110K为冷阱，提供了水冰长期保存的环境。(b)，雷达圆极化比(CPR)图叠加在全年月表最高温度图上，雷达阴影区没有圆极化比信息，因此无颜色覆盖。(c)，全年月表最高温度图上标记月球矿物成像仪(M³)识别的月表暴露水冰位置，颜色代表通过插值计算的雷达CPR值，白点代表位于雷达阴影中的M³水冰位置，因此没有CPR信息。(d)，水冰含量上限分布图叠加在全年月表最高温度图上，颜色代表水冰含量

该研究得到的水冰含量上限及其分布为月球水冰演化研究提供了重要信息，可对未来月球南极水冰采集任务的着陆点选择提供参考，且有利于未来人类月球基地建设任务的计划与设计。

研究成果发表于国内综合性学术期刊Science Bulletin（Li M^#, Sun J^#, Yue X^*, Lin H, Chen Z, Ding F, Ning B, Wei Y, Wang C, Jiang P^*. Upper limit of ice content at the lunar south pole as revealed by the Earth-based SYISR–FAST bistatic radar system[J]. Science Bulletin, 2025. DOI: 10.1016/j.scib.2025.02.033.）