基于嫦娥一号卫星微波辐射计数据的月球Cabeus撞击坑水冰含量研究

月球极地水冰存在与否、存在形式和存在数量等科学问题,是当前月球科学研究的重要目标之一.2009年10月9日,美国半人马座火箭和卫星相继撞击月球南极Cabeus撞击坑,证实了月球极地水冰的存在,但对其含量、分布范围等的研究还有争议.极地水冰的存在会改变极地月壤的介电常数,而微波辐射计是获取介质介电常数的最有效的工具.因此,根据37GHz频率条件下的月壤被动微波辐射传输数值模拟结果,改进月壤辐射传输模型.对比分析了Odelevsky模型、Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型等8个常用的混合介电常数计算模型,表明Lichtenecker模型与改进的Dobson模型得到的介电常数值相差最大,折射模型得到的结果偏大,Odelevsky模型、强起伏定理与Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型、Bruggeman-Hanai模型得到的结果非常接近.基于Odelevsky模型和改进的月壤辐射传输模拟,建立了月壤体积含冰量与微波辐射亮温的关系.并根据嫦娥一号卫星获取的相应的微波辐射计数据,进行了Cabeus撞击坑水冰含量反演研究.结果表明,改进的辐射传输模型适用于高频条件下的一层月壤辐射传输模拟;月球南极Cabeus撞击坑地区月壤微波辐射亮温为69.93K（37GHz）,相应的体积含冰量约为2.8%.     

嫦娥1号卫星微波探月技术机理和应用研究

微波探测仪是嫦娥1号卫星有效载荷之一,主要用于测量不同深度的月壤微波辐射亮温,进而反演月壤厚度的信息并对月球的3He资源量和分布进行评估。这是国际上第一次利用被动微波遥感探测器在月球轨道直接测量月表亮温信息。因此,对月壤辐射传输模型的研究是及其必要的。文章分析了月球微波探测的机理和存在的问题,并给出了初步解决途径。     

科技期刊亮点

嫦娥一号微波辐射计观测月球虹湾地区表面物理温度昼夜时间分布月球表面在长期的地质演化过程中形成了一层由尘土、非集结性岩块、碎屑、玻璃熔融物质等构成的月壤层。由于没有大气的热传导,月球表面物理温度昼夜变化极大。2007年10月24日我国成功发射了第一颗探月卫星——嫦娥一号     

Tycho撞击坑地区微波热辐射特性研究

Tycho撞击坑作为月球最具代表性的哥白尼纪撞击坑,其微波热辐射特性的研究对于分析与其同期形成的大型撞击坑的热演化过程具有重要的参考价值.本文基于嫦娥二号微波辐射计(CELMS)数据为代表的月壤微波热辐射数据,结合月壤TiO_2含量、表面坡度和粗糙度、岩块丰度等资料,系统分析了Tycho地区微波热辐射的特征.结果表明,Tycho撞击坑南坡(A区)的微波热辐射受月表温度影响很大,月壤表层和深部的温度差值也很大;坑底平原北部(B区)的微波热辐射受月表温度影响很小,月壤表层和深部的温度差值也很小;该东部和西部的月壤结构在垂直方向上是有变化的;在凌晨3时以后该区达到热平衡状态,是未来进一步研究月壤内部热流特性的理想区域;溅射毯地区月壤物质在表层与B区相近,且具有较强的储热能力.统计结果表明,表面粗糙度和岩块丰度对月壤微波热辐射的影响最大,坡度次之,TiO_2含量的影响最小.     

基于光学数据的月壤元素、含量反演以及介电常数的反演

月球元素含量的反演有利于了解月球物质成分的分布从而对月球矿产资源开发利用提供重要依据,对于月球科学的研究具有重要意义。利用LSCC数据和Clementine光学数据在全月球的角度上对月壤中Fe O和Ti O_2的含量进行反演;并基于回归分析建立介电常数和Fe O和Ti O_2含量总和的耦合关系,进而对介电常数进行反演;并与实测点的数据进行比较,验证了利用光学数据反演月壤元素含量以及通过回归分析反演介电常数的可行性,为月表反演的研究提供了新的思路。     

基于光学数据的月壤介电常数的反演

摘要：月球元素含量的反演有利于了解月球物质成分的分布从而对月球矿产资源开发利用提供重要依据,对于月球科学的研究具有重要意义。本文利用LSCC数据和Clementine光学数据在全月球的角度上对月壤中FeO和TiO_2的含量进行反演,并基于回归分析建立介电常数和FeO和TiO_2含量总和的耦合关系,进而对介电常数进行反演,并与实测点的数据进行比较,验证了利用光学数据反演月壤元素含量以及通过回归分析反演介电常数的可行性,为月表反演的研究提供了新的思路。     

地基微波辐射计反演温/湿度廓线的BP神经网络训练方案对比

为提高地基微波辐射计反演大气温/湿度廓线的精度,提出了一种直接利用高垂直分辨率探空资料与地基微波辐射计观测亮温训练反演温/湿度廓线BP神经网络方案.基于地基微波辐射计的观测特点,提出了一种基于微波辐射计地面观测资料和探空资料的观测亮温综合质量控制方案,利用质量控制后的观测亮温训练BP神经网络(OBS-BP),并与基于MonoRTM辐射传输模式模拟亮温训练BP神经网络(SIM-BP)的方法进行了对比.结果表明, OBS-BP反演温度廓线的均方根误差随高度逐渐增大,范围为0.62～2.81 K,偏差范围为-0.67～0.43 K,相关系数随高度的升高逐渐减小,变化范围为0.92～0.99;相对湿度廓线的均方根误差在0～4.75 km随高度升高而增大,在4.75 km以上随高度升高而减小,范围为8.21%～24.37%,偏差范围为-3.87%～4.54%,相关系数随高度升高逐渐减小,变化范围为0.13～0.94.将OBS-BP和SIM-BP反演高时间频次的温/湿度廓线的效果进行了对比,得出OBS-BP的反演结果能更好地反映对流层内大气温/湿度演变过程,相对于利用SIM-BP的反演结果, OBS-BP反演温/湿廓线在各个高度层上均优于SIM-BP,与探空资料具有更好的一致性,更适用于实际观测中地基微波辐射计温/湿度廓线的反演.     

星载微波辐射计遥感大气温度廓线的数值模拟

为了充分了解微波被动遥感大气温度廓线的能力,为星载微波辐射计研制及今后的资料解释提供必要的技术基础,开展了采用50～60 GHz氧气吸收带内的7个通道反演大气温度廓线的数值模拟研究.利用微波辐射传输模型模拟了微波辐射计各通道亮度温度,在此基础上建立了大气温度廓线的统计反演方案.统计反演的数值试验表明,50～60 GHz微波通道对大气温度廓线有一定的遥感反演能力.     

虹湾地区月球卫星遥感地质解析制图

月球卫星遥感的目标就是利用地质概念研究月球表面特性、深部结构和演化历史.以月球正面雨海虹湾地区为例,利用Clementine UV/VIS数据提取TiO2和FeO的含量图.基于SELENE TC图像,完成虹湾地区撞击坑和地层单元的解译,并由此利用撞击坑直径-频率统计方法获取虹湾地区不同地层单元的形成年龄.SELENE的重力场模型（SGM90d）揭示虹湾与雨海的重力特征差异,表现为独立的地质单元.嫦娥一号微波辐射计数据反演的月壤厚度与SELENE的数字地形模型在空间分布上有对应关系.综合这些多源遥感信息,表明虹湾与雨海无论深部结构还是表面沉积作用都表现为独立地质单元;虹湾形成后,经历了多期次沉降活动、沉积作用和撞击作用,表现为目前探测的状态.虹湾地区遥感地质解析结果将为未来潜在登月点选择或采样等提供科学依据.     

地表组分温度反演

在热辐射方向性规律的基础上,以喜直型连续植被为例,进行了大量的Monte Carlo模拟,建立了辐射亮度和组分温度、植被叶面积指数及土壤比辐射率之间的经验函数关系。采用遗传算法,从热红外2个波段2个角度数据中,同时反演混合像元组分温度、土壤比辐射率和叶面积指数等5个参数。通过对模拟的观测数据进行大量的遗传算法反演试验,结果表明,遗传算法反演组分温度非常稳健,在宽松的先验知识条件下,遗传算法可以解决不确定性反演问题。遗传算法反演结果和野外实测数据作了比较,证实了反演方法的正确性。为基于热红外方向性辐射模型反演地表组分温度,提供了新的实例。     

不同养护温度下模拟月壤地聚合物力学试验与分析

月球基地建设是月球探索的重要目标,利用原位资源进行月球建设是较好选择,可有效降低月球开发建设的风险和成本.利用模拟月壤为原料制备地聚合物进行月球资源就地利用是较为新颖的一种方法.对不同养护温度和NaOH掺量的模拟月壤进行无侧限抗压强度试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验.结果表明:不同条件下模拟月壤地聚合物的应力-应变曲线均表现为应变软化型;高温蒸汽养护可以显著提高材料的抗压强度,但过高的养护温度可能抑制强度的发展,当养护温度60℃且NaOH掺量为4.0％时无侧限抗压强度较大;模拟月壤在碱激发作用下的水化产物为水化硅铝酸盐,适当提高养护温度可较为迅速的生成大量凝胶产物,从而提高抗压强度.     

基于微波辐射计的大气温湿廓线遥感探测

利用2010年1-6月甘肃省榆中站(52983)逐日的探空资料和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地基微波辐射计反演资料,对榆中所在的半干旱地区大气的温度和相对湿度的垂直分布特征进行了分析.通过对比探空资料,讨论了微波辐射计的探测性能和反演效果,并对2013年1-3月微波辐射计反演的温度进行了偏差订正.结果表明微波辐射计反演资料与探空资料反映的温湿垂直分布趋势基本一致,温度的拟合效果优于相对湿度.近地层反演效果较好,温度的相关系数大于0.90,相对湿度的相关系数大于0.80,均通过了显著性水平为0.01的相关性检验.距地2~7km之间,微波辐射计反演的温度小于探空观测值,相对湿度大于探空观测值.温度订正效果显著,但仍存在一定的偏差.     

月球表面光度行为的地域依赖性分析

月球表面光度行为描述了月表物质反射的太阳光随入射、出射和太阳相角的变化,它取决于月壤颗粒的粒径和形状、孔隙度、粗糙度等物理特性和矿物成分等化学性质．本文利用嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）2A级辐亮度数据,基于太阳相角一辐亮度二维直方图统计,可将月球表面划分为两种光度行为迥异的地域类型,二者FeO含量分别与月海和高地的值大致吻合．高地（阿波罗16号着陆点）和月海（澄海）区域的IIM数据验证了该划分方法的合理性．本文提出的直接依据IIM2A级数据太阳相角一辐亮度二维直方图的划分方法,可以避免FeO含量划分月表光度单元中由于后期数据处理过程引入的误差．     

干、湿沙层对岩石受力微波辐射影响的实验对比

在天空冷背景下，通过实验模拟卫星对地观测，研究盖层对岩石受力过程中微波辐射的影响规律及影响机理.实验以花岗岩及覆被干、湿沙层为例，采用卧式压力机和C波段微波辐射计对岩石受力过程中松散盖层对辐射变化的影响规律进行观测.实验结果表明:花岗岩弹性变形阶段的微波辐射变化与载荷具有很好的同步性，相关系数达0.94，微波亮温变化量为0.015K/MPa.当岩石观测面铺设2.5cm厚的干沙层或湿(含水)沙层时，其对受力岩石微波辐射影响存在差异:1) 干沙层对岩石受力过程中的微波辐射变化量无显著影响;2) 含水沙层显著削弱了微波辐射计所接收到的岩石中由力引起的微波辐射变化信号.     

天空冷背景下受力岩石微波辐射特征实验研究

分析了环境因素对微波辐射观测的影响机理. 以此为基础,在天空冷背景条件下,利用岩石试验机、微波辐射计、声发射、温度测试仪等,开展了岩石弹性变形阶段循环加载微波辐射变化特征的室外观测实验. 结果表明,在天空冷背景下能可靠获取岩石受力变形过程中的微波辐射能量变化信息. 花岗岩弹性变形阶段的微波辐射亮温变化与应力间呈同步性很强的正相关关系,相关系数达0.94; 岩石表面的温度变化与应力间亦呈正相关,但其变化滞后于应力变化,且单位应力的微波亮温升幅远大于表面温度升幅. 实验证实了利用微波辐射观测手段可有效探测岩石受力引起的岩石内部应力状态的变化.     

利用透射太阳辐射反演云光学厚度及有效粒子半径：方法研究

提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度及有效粒子半径的方法．通过原理分析和详细的数值模拟对该方法的可行性进行了讨论，并给出了反演流程，进行了误差分析．数值模拟采用了与MODIS遥感云原理相同的波长组合(0.75 和2.13μm)，结果表明，当水云尺度化光学厚度τ^′_0.75>1，且r_e>5μm时，利用0.75 和2.13μm的太阳透射值可以反演出该云的光学厚度及有效粒子半径．对于光学较薄的云，由于透射的2.13μm辐射值对于有效粒子半径敏感性变差，该方法不再适用．随着光学厚度的增大，τ^′_0.75和r_e的反演误差均单调减小，当τ^′_0.75≥2以后，τ^′_0.75和r_e的误差分别下降到10%和20%以下．结合0.75 和1.65μm的太阳透射值也可以反演水云的光学厚度和有效粒子半径．     

地基12通道微波辐射计反演大气温湿廓线及估算雷达路径积分衰减

利用TP/WVP-3000型地基微波辐射计12通道亮温观测资料,发展了一套大气温湿及液态水廓线反演算法.首先对近20年历史探空数据进行数据转换、插值等处理后,分无云和有云两种类型,运用MWMOD微波辐射传输模式,计算无云情况下的微波亮温集,根据相对湿度廓线,利用模式的绝热液水含量分析方法,模拟计算出液态水廓线及对应的微波亮温数据集,利用改进BP神经网络计算模型,通过神经网络学习训练,获取代表该地区的神经网络系数,用于反演计算大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线.与GPS探空数据对比,反演的大气温度廓线在7 km以下误差均在3 K以内,水汽密度廓线在6 km以下误差均在3 g/m2以内,部分底层廓线的反演值与GPS探空观测接近,获得了较好的反演结果.同时,通过模式分析出云水廓线,弥补GPS探空不足,利用微波辐射计观测进行验证,估算雷达路径积分衰减,用于试验降水雷达反演分析.     

TJ 1模拟月壤承载特性物理模型试验研究

借助现代土力学试验技术研究月壤工程特性,是解决月球上岩土工程问题的一个可行方法.室内载荷物理模型试验是研究土体承载特性的重要方法.本研究自行设计加工了一套可以实现加载速率控制的加载装置,采用试验材料为Tongji-1(简称TJ-1)模拟月壤,对4种不同尺寸的圆盘载荷板进行加载速率控制条件下的载荷模型试验,同时测定了基底土压力分布.试验结果表明:在相同载荷板条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随加载速率的增加而增加;在相同加载速率条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随载荷板尺寸增加而增加;加载时基底中心土压力最大.     

装配式辐射供冷顶板性能的数值模拟

为提高装配式辐射供冷顶板的性能,建立了一种采用空气层进行热量交换的装配式辐射供冷顶板的数学模型,应用CFD(computational fluid dynamics)技术,数值模拟了耦合冷冻水管辐射顶板空气层的流场和温度场,分析了不同空气层厚度和不同供水温度对辐射顶板热特性的影响.数值模拟结果表明:空气层内由于温度差引起自然对流,辐射板内通过辐射,对流和导热的传热方式,使辐射板表面温度分布更均匀.在保证辐射板表面最低温度高于室内露点温度的条件下,随着空气层厚度和供水温度的增加,辐射板的表面平均温度升高,供冷能力下降.空气层厚度和供水温度的增加或减小会降低辐射板表面温度分布的均匀性.     

高空薄云影响下的大气长波辐射遥感估算

作为地气系统能量交换的重要形式,精准的大气下行长波辐射数据对地表、大气层顶模型的建立以及全球生态环境和气象气候研究极其重要.目前关于遥感反演大气下行辐射的研究多以晴空条件为前提,很少考虑到高空薄云,使得这些方法应用范围受限.高空薄云对红外辐射具有不完全通透性,地表信息部分被云削减后透过云层到达传感器.由于云体温度极低,可明显降低传感器观测的星上亮温,加上其复杂的微物理学属性和多变的分布特征,对大气下行辐射的反演造成很大影响.通过研究不同性质的高空薄云,基于小样本理论、利用神经网络和支持向量机构建高空薄云存在时的大气下行辐射遥感反演模型,并结合实测站点数据对模型的精度进行检验.结果显示,两种算法的精度基本满足瞬时地表长波辐射研究的要求,解决了高空薄云影响下遥感反演大气下行辐射的难点.两种非线性模型直接以传感器的辐亮度、亮温组合、大气水汽含量以及光学厚度作为输入,既考虑了云的特征参数,又避免了计算大气下行辐射的误差传递,提高了算法的通用性和实用性.