“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星微波探測(cè)儀探測(cè)月壤微波特性的方法研究.pdf

1、人類第一次在月球軌道上對(duì)月球表面微波特性進(jìn)行探測(cè)的“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星微波探測(cè)儀(CE-1 Lunar Microwave Souder,CELMS),2007年10月24日成功發(fā)射,并于同年11月7日進(jìn)入工作軌道。CELMS在軌運(yùn)行一年多,完成了全部使命。其觀測(cè)面元已多次覆蓋全月表面,獲取了全月表而微波亮溫,由此創(chuàng)建了“微波月亮(Microwave Moon-MicM)”[1]。MicM是月表物理化學(xué)特性的直接反映,通過對(duì)微波亮溫的研究,

2、建立這些特性與亮溫的關(guān)系,就能夠?qū)@些參數(shù)進(jìn)行直接反演,這比起以前間接測(cè)量的結(jié)果更加接近實(shí)際。
　　 本論文詳細(xì)討論CELMS在軌定標(biāo)及亮溫處理的實(shí)現(xiàn)過程,重點(diǎn)論述了定標(biāo)的微波輻射傳輸原理及其參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試方法,分析了冷空定標(biāo)在月球軌道的復(fù)雜性,建立了微波亮溫算法和接收機(jī)非線性修正算法,并通過與模擬的Apollo登月點(diǎn)數(shù)據(jù)的比較確定了3.0GHz天線的輻射效率。通過對(duì)CELMS全月亮溫分布及其特點(diǎn)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)月表亮溫包含了豐富

3、的月壤特性的信息,是表面物質(zhì)的介電特性、地形、表層溫度分布、月壤厚度分布特性的綜合反映。因此本論文將重點(diǎn)對(duì)這些參數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行模擬和分析,并利用CELMS的數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行反演。
　　 首先,月球表層溫度是月球物理化學(xué)特性的一個(gè)重要物理量,也是月表微波遙感的重要參數(shù)。本論文利用從Apollo*、Luna**等登月點(diǎn)得到的有關(guān)月表物質(zhì)特性的研究結(jié)果,建立了熱傳導(dǎo)率模型,比較了不同月壤密度和比熱模型,分析了月壤下邊界的溫度特性,從而通過

4、求解多層月壤熱傳導(dǎo)方程,得到了月球表層溫度的時(shí)間和空間分布規(guī)律的模擬結(jié)果。這些結(jié)果表明:月表溫度從赤道向兩極逐漸降低；月球白天溫度變化劇烈而月球夜晚變化緩慢；月球表層溫度剖面的晝夜變化,除了在兩極地區(qū)波及到約1.0m深度以外,其它地區(qū)主要集中在表層20cm的范圍,在這個(gè)深度以下溫度基本上穩(wěn)定。特別地,本論文比較了利用多層模型和兩層模型求解的表面溫度和剖面溫度模擬結(jié)果之間的差異,通過與Apollo15和Apollo17登月點(diǎn)測(cè)量溫度的比較

5、,驗(yàn)證了多層模型能夠更接近地模擬月表真實(shí)狀況。
　　 其次,月球表層參數(shù)的變化導(dǎo)致了CELMS不同通道亮溫的變化。本論文比較了月壤微波輻射傳輸?shù)姆窍喔珊拖喔赡Ｐ驮谀M月表微波亮溫上的差異。在此基礎(chǔ)上,建立了一種可以進(jìn)行月壤微波輻射傳輸計(jì)算的多層非相干模型,用來模擬全月亮溫分布。本論文分析了不同參數(shù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響,其中包括多次反射、散射、入射角、月壤和月巖介電常數(shù)以及剖面分層方法等,在此基礎(chǔ)上得到了針對(duì)CELMS四個(gè)通道不同

6、緯度、不同溫度、不同時(shí)間、不同月壤厚度下的模擬亮溫。結(jié)果表明:溫度的波動(dòng)是月表亮溫變化的主要因?yàn)椋浑S著月壤厚度的不同,不同時(shí)刻四個(gè)頻率亮溫之間的大小關(guān)系呈現(xiàn)不同的交替變化。理論模擬的結(jié)果有助于分析CELMS數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和特點(diǎn),驗(yàn)證CELMS測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性,為遙感數(shù)據(jù)的解譯和科學(xué)參量的反演提供依據(jù)。
　　 月壤厚度、介電常數(shù)等是月壤研究的另外兩個(gè)重要參數(shù),也是研究月球3He資源分布、月球進(jìn)化的重要參數(shù)。本論文建立了CELMS亮

7、溫反演月表物理溫度、月壤厚度、介電常數(shù)的理論算法,并通過最大似然估值的方法,得到了這些參數(shù)的反演結(jié)果,并與此前文獻(xiàn)上有關(guān)評(píng)估結(jié)果做了對(duì)比分析,進(jìn)而利用反演的全月介電常數(shù)和月壤厚度,并根據(jù)表面介電常數(shù)的損耗角正切與3He豐度之間的線性關(guān)系,第一次利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全月3He資源量進(jìn)行了估算。結(jié)果表明:月表溫度除隨緯度變化外,月海和月陸的溫度分布有著明顯的不同,這可能與它們的物質(zhì)組成和介電特性有關(guān)；月壤厚度的分布范圍多數(shù)在4.0～6.0m,月壤