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。     

嫦娥五号样品——月球遥感定量反演的新地面真值

嫦娥五号任务从月球风暴洋东北部成功返回了1731 g月壤样品.最新返回的月壤有望为月球遥感数据定量反演提供新的地面真值(Ground Truth).本研究中首先利用遥感数据获取了着陆单元的矿物组成和化学成分(FeO,TiO₂, Th),并与嫦娥五号月壤样品实验室分析结果进行对比.二者之间的差异(特别是橄榄石含量)反映了目前利用遥感数据反演元素和矿物含量的方法仍存在提升空间.本研究通过系统地对比分析发现:(1)嫦娥五号月壤具有高铁、中钛、富钍的化学特征,显著区别于已有阿波罗月壤,可为月球遥感研究提供全新的地面真值;(2)嫦娥五号月壤代表了一类发育成熟的年轻月海月壤,外来溅射物占比较小,能够反映着陆区玄武岩的成分特征;(3)嫦娥五号月壤粒径较小,符合Lunar Soil Characterization Consortium (LSCC)提供地面真值的样品标准(<45μm).此外,嫦娥五号着陆区也具有独特性:(1)位于月球正面西部的中纬度地区,不同于美苏样品返回任务所着陆的低纬度区域;(2)位于月球晚期玄武岩单元,区别于已有的光谱定标区.因此,以嫦娥五号月壤实测...     

月球表面物质介电常数:嫦娥五号月球样品的新启示

月表物质的介电常数决定了电磁波在月球次表层的穿透深度,对月球雷达、微波辐射计、月表电磁实验等科学载荷的设计与数据解译至关重要,有助于定量反演次表层结构与物理性质.对月球物质介电常数的了解,目前主要基于主被动微波遥感数据反演和对Apollo, Luna月球样品的实验测量. 2020年12月,我国嫦娥五号探测器从月球正面风暴洋北部成功采集并返回1.731 kg月球样品,为研究月壤介电常数提供了新的样品.本文首先介绍了物质介电常数基础、介质电极化机制、介电常数混合模型和测量方法,接着对月球表面物质介电常数的研究历史与现状进行了系统性梳理与总结,并给出了整个月球表面月壤介电常数的分布图.最后,介绍了我国嫦娥五号着陆区地质背景与月壤特性的最新研究结果,对嫦娥五号月球样品介电常数实验测量给出了建议,并对其潜在科学产出进行了评估.本文对月壤介电常数的梳理与认识,可以为我国后续探月工程中微波遥感载荷设计、雷达数据解译、采样点选取和样品分析等提供理论指导与支撑.     

月球表面多通道辐射亮度温度的模拟与月壤厚度的反演

为模拟月球表面辐射亮度温度，由月球表面数字高程和月壤厚度实测点数据建立月球表面高度与月壤厚度的一种对应关系，构造了全月球表面月壤厚度的分布. 根据月球表面现有的观测数据，给出月球表面温度随纬度的变化. 这样，由起伏逸散定理，模拟计算了一平行分层月壤多通道微波辐射亮度温度的月球表面分布，为现有的多通道微波辐射技术探月提供一个范例. 以此辐射亮度温度模拟分布为理论观测值，推导了用三个通道辐射亮度温度反演月壤厚度，并分析了反演误差随月壤介电特性、TiO₂+FeO含量等参数可能的变化.     

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。     

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.     

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.     

具随机粗糙界面非均匀月壤层全极化脉冲回波探测的模拟

提出低空飞行全极化L波段雷达窄脉冲探测月壤层厚与层结构的建议．月壤层为一层具有上下随机粗糙界面的有耗介质层,在下垫月岩粗糙界面上有一层随机分布的碎石散射体．推导了包含面散射、体散射,以及面-体相互作用7种散射机制的全极化脉冲波Mueller矩阵解．以月壤特征参数(月壤层厚、FeO TiO2金属含量、介电常数,界面粗糙度、碎石分布等)为函数,用时域Mueller矩阵解数值模拟来验证方法可行性,L波段窄脉冲极化回波波形能用于反演或估算月壤厚度与分层结构．     

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．     

月球多色测光的最新研究进展

近几十年来，月球多色测光研究成为天文学一个重要领域．尤其是近年Clementine飞船作了几乎整个月球表面的多色测光，得到高分辨月球多色图像．联系Apollo等飞船取回月球样品的实验结果，结合理论研究和新的分析方法，揭示于全月球表面和区域的特性．本文综述一些重要进展和最新成果，包括一些主要概念(反照率，位相函数、全月面累积测光和区域测光)、测光模型、分光反照率测定结果，尤其是Clemmentine飞船资料的分析研究结果——光度参数、月面温度分布、FeO和TiO2分布、月壤成熟度、盆地抛出物、火山沉积物和区域地质．     

月球探测的进展与我国月球探测的科学目标

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：(1)研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;(2)探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落及回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标为获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算^3He资源量以及太阳活动对空间环境的影响。“落”为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。“回”为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

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.     

基于光学遥感数据虹湾地区铁钛含量反演研究

月球表面的铁钛含量分布对月球的起源与演化研究以及月球资源的开发利用都具有重要意义.不同遥感数据获得的铁钛含量常不相同,有必要利用多种遥感数据获得月表铁钛含量,并对反演结果进行对比分析.本文利用Chandrayaan-1搭载的Moon Mineralogy Mapper（M3）两个光学周期（OP1B和OP2C）数据以及＂嫦娥一号＂搭载的干涉成像光谱仪（IIM）两套定标数据（pc1和pc2）反演虹湾地区铁钛含量.结果表明OP1B和OP2C数据反演该地区铁峰值分别为17.80wt%和17.60wt%,高于pc1的15.80wt%及pc2的14.00wt%,铁均值分别为16.91wt%和16.79wt%,高于pc1的14.11wt%及pc2的13.46wt%.OP2C数据获得虹湾地区0wt%-4wt%钛丰度百分含量最高,达74.56%,高于pc1的54.66%及pc2的62.46%,OP1B数据得到的0wt%-4wt%钛丰度百分含量最低,为37.55%.OP1B和OP2C数据反演虹湾地区钛均值分别为5.35wt%和3.16wt%,pc1和pc2数据反演该地区钛均值分别为4.25wt%和3.65wt%.极低钛和低钛玄武岩占虹湾地区玄武岩的比例约为50%和40%,主要分布于雨海纪月海物质（Im1,Im2）地层单元内;高钛玄武岩所占比例约为10%,主要分布于爱拉托逊纪月海物质（EIm）地层单元内.总体来看,遥感数据获得的玄武岩钛含量呈单峰分布,低钛玄武岩占优,与样品钛含量的双峰分布不同.虹湾地区玄武岩铁钛含量,随其年龄越来越年轻,有增加的趋势.pc2数据光度校正效果最好,pc1数据光度校正精度较低,M^3不同光学周期反射率差别较大,光度校正有待改进.     

Global inventory of Helium-3 in lunar regoliths estimated by a multi-channel microwave radiometer on the Chang-E 1 lunar satellite

Helium-3 (³He) implanted by solar wind in the lunar regolith is a valuable resource because of its potential as a fusion fuel. On the basis of the Apollo regolith samples, a linear relationship between ³He abundance and solar wind flux, optical maturity and TiO₂ content has been presented. China successfully launched its first lunar exploration satellite Chang-E 1 (CE-1) on October 24, 2007. A multi-channeled microwave radiometer was aboard the satellite with the purpose of measuring microwave thermal emission from the lunar surface layer. From the multi-channel brightness temperature (T_b) observed by CE-1, the global distribution of the regolith thickness was inverted from the multi-channel T_b, and was used to evaluate the total amount of ³He per unit area in the lunar regolith. The global inventory of ³He was estimated as being 6.6×10⁸ kg; 3.7×10⁸ kg for the lunar nearside and 2.9×10⁸ kg for the lunar farside.     

Experimental research and statistical analysis on the dielectric properties of lunar soil simulators

To support the microwave brightness data retrieval of future China space-borne lunar exploration microwave radiometer, based on the collection of plentiful terrestrial basalts and anorthosites and their chemical compositions got by X-ray fluorescence, nine lunar soil simulators were prepared and made respectively into 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 and 1.6 g/cm3 five densities each. We measured their relative dielectric constants over the range of 0.5-20 GHz with open-ended coaxial line model on the HP8722C Network Analyzer and then processed and analyzed the measurement data. This study shows that among the three parameters of density, frequency and composition, density has the strongest effect on the relative dielectric constants, frequency comes second, composition the least. The three parameters account for 45%, 33% and 22% respectively of the changed real part of a relative dielectric constant, and 55%, 27% and 19% respectively of the changed imaginary part. The real parts of the relative dielectric constants are linearly linearly correlated with density or frequency, and the imaginary parts have a linear relation with both approximately over the range of 0.5-10 GHz and tend to be poorly correlated with them in 10-20 GHz. The effect of composition on a relative dielectric constant seems very complicated, both probably do not follow a simple function relation, with the least correlation. Multiple regression analysis indicates that major element oxides SiO2, Al2O3, CaO, MgO, TiO2 and AFe are correspondent to a one-order polynomial, and TiO2 or AFe or TiO2 ΔFe has not been proven to be the indicators in the contribution to the relative dielectric constants.     

月壤工程地质特性综述

根据国内外的最新研究成果,综述了近年来月壤工程地质力学特性研究的新进展.首先简述了月壤的矿物特征与化学成分,分析了月壤的级配、颗粒形态与孔隙率等物理性质;然后总结了月壤的变形特性与强度特征,阐述了目前模拟月壤的主要类别,及其内摩擦角、弹性参数等力学参数的研究成果;最后指出月壤研究中存在的问题,即模拟月壤试验必须注意环境变量(如弱重力)及化学成分对于工程地质性质的影响,同时应加强对月壤动力性质方面的研究.     

光学系统的月尘防护方法综述

光学系统能否在月面有效工作,与其对月球尘埃的防护性能有直接关系。粘着在高精度光学表面的细小月球尘埃造成光的散射和热辐射,从而影响成像质量。系统介绍了光学表面的各种防尘和除尘方法,以及存在的问题。最后讨论了月尘防护方法的发展趋势。     

月球探测器软着陆的最优控制

为研究月球探测器从月球泊轨道向月面软着陆的最优控制问题 ,提出了一种两次制动变轨的软着陆方案 :探月器从月球停泊轨道出发 ,启动变轨发动机进行第一次制动后飞向月球 ,在月面附近第二次制动以实现软着陆。在两次制动变轨时 ,对固定推力发动机的情况 ,采用 Pontryagin极大值原理对燃料最省变轨控制问题进行了分析 ,并引入遗传算法数值求解两点边值问题 ,得到了制动变轨的初始、终端位置和发动机推力方向角的最优控制规律     

The modeling analysis of microwave emission from stratified media of non-uniform lunar cratered terrain surface for Chinese Chang-E 1 observation

In China’s first lunar exploration project,Chang-E 1,the multi-channel (3.0,7.8,19.35,37 GHz) microwave radiometers were aboard the satellite,with the purpose of measuring microwave brightness temperature from lunar surface and surveying the global distribution of lunar regolith layer thickness,and global evaluation of 3He content.To analyze the modeling of microwave radiative transfer from three-layered media of lunar surface,some factors,such as the cratered lunar surface roughness,scattering of regolith particulate medium with temperature profile,are discussed.Based on the statistics of the lunar cratered terrain and using Monte Carlo (MC) method,the cratered lunar surfaces are numerically generated.The triangulated network is utilized to divide the undulated lunar surface into discrete triangle meshes with the size 10 m as a digital surface topography.The reflectivities of each plane mesh are calculated,and the average reflectivity for all MC-realized lunar surfaces is obtained.It is found that under the spatial resolution of 30 km×30 km of Chang-E 1 radiometer observation,the lunar surface can be well modeled as a flat surface.It makes the predominance of the parameters,such as the regolith layer thickness and stratified structures,to be studied.Using the radiative transfer equation of stratified media with dense scatterers,the scattering coefficient of the regolith particulate medium is found negligible,and the emission is mainly governed by the absorptive property of the medium.Brightness temperature of multi-layered media,i.e.lunar soil,regolith layer with temperature profile and underlying rock media,are derived and calculated,and relevant main factors to affect the modeling and emission simulation are analyzed.