随着深空探测技术的发展,小行星已成为21世纪深空探测的主要目标之一,而小行星内部结构成像和物性参数分析则是小行星体探测的一项重要任务。了解和掌握各类小行星的内部结构、物质组成等特性,对研究小行星的起源和演化、寻找矿产和水、防御其撞击地球等方面都有着重要的科学意义和实际价值。目前,我国正在积极筹备小行星的深空探测项目,并计划于2024年发射首颗探测器“郑和”号,以直径为40～100m的近地小行星2016HO3为目标,开展小行星探测活动。虽然从20世纪90年代开始,美国、欧盟和日本等国的航天机构发射了一系列的探测器,通过飞越、绕飞、着陆采样和撞击等形式开展了近距离的小行星探测活动,但过往的小行星探测活动尚没有进行过小行星内部结构探测。因此,小行星内部结构探测是一个新的领域,相关的理论基础和探测方法研究需要先行一步。考虑到小行星探测任务的观测条件有限,可能无法保证观测密度。我们建议尝试使用能够在低观测密度条件下实现较高分辨率成像的电磁波全波形反演方法对小行星内部结构进行成像。全波形反演实用化面临的难点主要有:1)由于计算量的原因,全波形反演通常采用基于梯度的局部最优化方法进行求解,因此全波形反演很容易陷入到局部极值,进而导致反演失败,当发射信号的带宽较窄而载波频率较高时,该缺点尤为明显;2)由于全波形反演需要模拟波场的传播过程并储存波场数据,在进行三维反演时,即使采用梯度迭代的局部优化方法,仍需要巨大的计算量和计算资源。除了上述全波形反演本身的技术难点外,在小行星探测任务中,还有一些特有的技术难点,包括:1)由于通讯延时、能源限制、探测器重量限制等因素,可能无法保证观测密度和测点的定位精度;2)小行星的物质组分可能具有色散、各向异性等特点,常规介质的全波形反演方法可能无法准确对小行星内部结构进行成像;3)宇宙微波背景辐射和太阳的电磁辐射会降低雷达信号的信噪比;以及4)我们对小行星的内部结构了解甚少,没有足够的先验信息约束反演,以减少反演的多解性。针对前述的小行星内部结构全波形反演所存在的难点,本文的主要研究内容及创新性研究成果包含以下几个方面:（1）稳健的小行星内部结构雷达数据全波形反演方法研究。在传统的电磁波全波形反演算法基础上,加入包络反演,为小行星内部结构全波形反演提供较为精确的初始模型;使用最优传输理论中的W2度量（Quadratic Wasserstein Metric）构建“凸性”更强的目标函数。数值实验表明,在不牺牲分辨率的前提下,以上两种方案可以有效地提高小行星内部结构成像的稳健性。（2）色散介质小行星的全波形反演成像算法研究。根据现有的研究,很多常见的岩石（例如,花岗岩、玄武岩、辉石和斜长石等）在雷达波段（MHz～GHz）具有一定的色散特性,且其色散特征近似于德拜色散模型。考虑到小行星可能具有色散特性,本文发展了德拜色散介质的全波形反演方法。数值实验表明,FWI可以准确地重构德拜色散介质的四个电参数,验证了FWI对具有色散特性的小行星进行内部结构成像的可行性。（3）观测系统和雷达参数分析及优化。根据前期的小行星探测任务论证结果,“轨道器+着陆器”的双站雷达系统被认为是小行星内部结构探测中最具可行性的观测模式之一。基于“轨道器+着陆器”的观测模式,本文分析了测量点密度、轨道面分布、信噪比、雷达带宽和载波频率等因素对成像结果的影响。三维数值实验表明,在信噪比较高的情况下,即使在稀疏观测（如只有20个左右的测量点）或测量轨道只在局部覆盖（如覆盖的纬度范围仅为10°）的条件下,FWI也能以较高的精度重建小行星内部结构;当信号被噪声污染严重时,为了确保反演的准确性,则需要进行密集的观测。（4）小行星内部结构全波形反演成像算法的高性能并行计算程序设计。由于三维小行星全波形反演需要巨大的计算量,本文以电磁波有限差分解（FDTD）为基础,基于CUDA并行架构和MPI通信标准,实现了多节点、多GPU的电磁波全波形反演高性能并行计算。数值实验表明,多GPU的并行加速效率与模型大小有关,当采用较小模型计算时,由于节点间通讯带宽的限制,节点间数据通讯时间大于波场计算时间,多GPU计算相对于单GPU性能并不会有明显的提高,而当采用较大模型计算时,节点间通讯时间要小于波场计算时间,节点之间的通讯可以并发进行,相当于隐藏了通讯过程,多GPU计算加速性能更显著。