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。     

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%.     

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     

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.     

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。     

嫦娥五号等着陆区的月壤微波热辐射特性及地质意义分析

嫦娥三、四和五号的原位月壤探测为基于嫦娥一、二号卫星微波辐射计数据的月球科学研究提供了重要参考.本文基于嫦娥二号卫星微波辐射计数据,生成了着陆区亮温图;为了消除亮温随纬度变化的影响,突出亮温与月壤成分之间的关系,定义和制作了规则亮温图和亮温差图;基于Kaguya MI数据,制作了研究区氧化亚铁、氧化钛、单斜辉石和橄榄石含量图;结合原位月壤探测成果,系统分析了嫦娥三、四和五号着陆区月壤的微波热辐射特性.主要研究发现包括以下三点:(1)嫦娥五号着陆区具有稳定的亮温表现,表明该地区月壤成分随深度的变化不明显,可以作为微波热辐射异常研究的重要参考;(2)嫦娥三号着陆区微波数据探测范围内月壤存在分层结构,以低频数据为代表的深层、以高频数据探测为代表的浅层和以可见光成果为代表的表层,成分变化很大;(3)在嫦娥四号着陆区发现并提出了微波冷异常的存在,并初步分析了微波冷异常的成因机制.研究发现,微波辐射计数据可用于月海玄武岩的识别,可以为深化未来的月海岩浆演化研究提供重要的科学参考.     

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.     

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...     

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.