随着科学技术的发展,人类对月球的认识也从获得月球全部地形地貌、成分与构造发展为原位定量地分析月球地质学的问题,在科学分析的基础上正确认识月球的演化。探月雷达探测是一种将探地雷达搭载在月球巡视器上针对着陆区浅表地层沿航线进行的就位探测方法。嫦娥三号探月雷达获得的数据存在数据量小、信噪比低等问题,这影响了解释的质量和效率。为更好地使用探月雷达数据,详细研究月球浅表地层的形成和演化过程,开展探月雷达数据的分析与处理研究是非常必要的。由于嫦娥三号探月雷达的三个接收天线接收到的信号表现出了不同的干扰特征,本文使用了不同的分析与处理方法:首先收集已有数据,建立更加贴合采集环境的地质模型,计算探月雷达的近月表电磁响应;然后由质量最可靠的CH-2B数据入手,使用复信号分析方法快速有效的进行月壤层位划分,对已有的月壤认识进行补充验证;然后使用Shearlet方法在不同尺度不同角度的Shearlet子域进一步分析处理CH-2A和CH-2B数据,并参考CH-2B数据处理结果,将两个通道数据融合得到更加均衡的剖面,剖面准确标记了古月壤层石块的分布并重构了月壤与基岩的分界面;最后,对于数据质量争议较大的CH-1数据,使用CEEMD（完全总体经验模态分解）方法分解数据并进行时频属性分析,根据实际物理意义判断有效信号与噪声,将含有有效信号的分量合成,在浅部与高频数据对比证明其可靠性,由于处理后的剖面不能直接反映地层信息,因此使用界面识别方法辅助分辨地层,进而讨论地层合理性与地质意义并进行综合解释。通过探月雷达数据处理研究,获得以下认识:复信号分析方法不仅适用于探地雷达数据处理,在探月雷达数据处理中也能发挥多参数联合分析优势,避免由单一雷达电磁波波形剖面进行解释所产生的偏差。由小波变换计算出的瞬时属性中,瞬时振幅谱和瞬时频率谱可以来确定异常或分层的大概位置,利用瞬时相位谱可以精确确定异常位置和分层轮廓线。Shearlet变换是一种有效的多尺度、多方向的方法。对比Wavelet变换和Curvelet变换,Shearlet变换在稀疏性和数学结构表现出明显优势。基于严格紧框架的Shearlet变化能够在反映各向异性的数据中按方向和尺度表征高维信号。CH-2A与CH-2B数据中发现的水平横向噪声可以在Shearlet域中按尺度和角度精确识别并分离。经过Shearlet变换,可以通过稀疏域系数按频带分为低尺度和高尺度进行数据融合,对嫦娥三号着陆场的月壤结构进行重建。两套数据具有整体优势,重建后的结果更加均衡,具有很高的可信度。稀疏变换方法变换在处理高维信号时是有效的:Shearlet变换在表示信号方面具有较好的性能（冗余度高,结构误差小）,但计算量大;嫦娥四号任务将收集月球背面的长期数据,数据量将呈几何级数增长,当缺乏足够的硬件设备支撑时,为了平衡处理效果和计算成本,Curvelet变换是一种较好的选择。由电磁耦合产生的信号伪影是嫦娥三号CH-1数据处理的首要问题,这关系到地层解释的准确性。相较于短时傅立叶变换和小波变换,传统HHT方法（希尔伯特-黄变换）在波形复杂,频带宽,干扰强的探月雷达信号处理中更具优势,然而基于EMD（经验模态分解）的HHT方法存在不可避免的模态混叠现象,模态混叠现象的发生导致信号的时频分布发生严重偏移,各阶IMF（本征模态函数）分量同时也失去了明确的物理意义,不利于探月雷达信号分析。CEEMD方法不仅抑制了模态混叠,还能够精确地重构原始信号,更适用于分析探月雷达信号。使用CEEMD方法将CH-1数据分解为七个IMF（本征模态函数）,发现IMF1是一个高频噪声分量,IMF4是一个低频噪声分量,IMF5中存在3500ns和5800ns两处能量异常,由航迹分解的IMF5也在同样的频率观察到明显的能量异常,认为是雷达系统与金属探测车发生电磁作用产生的伪影。IMF5、IMF6、IMF7认为是低频噪声分量。IMF2和IMF3由于分量分布与低频天线发射频率相近,认为是有用信号。将IMF2和IMF3叠加后,前200ns剖面显示,浅部的分层结果与融合后的高频数据剖面相符,也与前人公认的界面相符,因此认为IMF2与IMF3的叠加结果可以准确的反映月球浅表地层信息,是可靠数据。界面识别方法在探月雷达高频数据剖面图像处理是有效的,其中Lo G（高斯-拉普拉斯）算子与Canny算子计算结果在浅部观察到了更多的噪声,这是由于两种方法相对灵活,可以根据随深度降低的信噪比来选取不同的阈值,获得更多的地层信息。Canny算子提取直达波边缘,形成单一像素点的细直线,可以更准确的定位地层,但受噪声影响很大。低频数据图像处理结果显示,Sobel算子在处理实际数据的效果并不理想,是因为Sobel算子的检测模板单一,只有水平和垂直两个方向的检测限制了复杂图像处理的准确性;Lo G算子（高斯-拉普拉斯算子）可根据图像信息调整标准差,在各个深度都有比较准确的识别能力,可以确定用来探月雷达剖面中层位界面的大致轮廓;Canny算子的精确度最高,但也最受干扰影响,用来精确刻画层位。通过探月雷达数据综合解释,获得以下认识:嫦娥四号着陆区次表层可分为强风化层（0-150ns）,弱风化层（150-250ns）,沉积层（250-450ns）和玄武岩基底（>450ns）。强风化层整体来说较为均匀,零星存在些大块岩石反射。整体在雷达剖面上显示出的反射较弱,但在月表有较多的强反射,内部也有零星的强反射;在瞬时振幅属性剖面上显示出的能量同样较弱。弱风化层主要分布着大量的高反射的岩石块,上部随机地分布着大小较为均匀的岩石块,下部岩石大小以及分布都不均匀。沉积层内部岩石的数量和形状相对向上一层明显变小,存在几个电性分界面以及一个内部更均匀且颗粒更细的凸镜体,因此认为凸镜体与基岩的组成结构相同。嫦娥三号着陆区浅表地层可分为溅射层（0-3m）,古月壤层（3-9m）,爱拉托逊纪玄武岩（9-43m）,雨海纪玄武岩（43-131m）,层状火山岩（>131m）。嫦娥三号着陆点附近有的撞击坑形成于哥白尼纪,由撞击产生的溅射物覆盖于周围的月壤层形成～3m厚的溅射层。在埃拉托逊纪晚期和哥白尼纪早期,各类陨石撞击月球表面玄武岩盖层后形成了～6m厚古月壤层。随着古月壤层的增厚,通常的小型流星将无法压碎深部月壤,这导致随着深度的增加,岩石碎块与陨石碎块分布不均。爱拉托逊纪玄武岩产生于一次长期剧烈的火山活动,时间约为2.96Ga前,熔岩流自西南方向覆盖雨海纪地层,形成基底。雨海纪玄武岩可能是由3.3Ga开始自北方向上侵位形成,形成期间发生过三次大熔流事件与一次撞击事件。层状火山岩形成时间超过3.6Ga,可能是间歇性的熔岩流和火山碎屑岩所致。