三层月壤模型的多通道微波辐射模拟与月壤厚度的反演

由月球表面数字高程试验性地构造了整个月球表面月壤厚度的分布．根据Clementine探月卫星的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤中FeO+TiO_2含量分布,给出了整个月球表面月壤介电常数分布．由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出了月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式．在这些条件的基础上,建立了月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型．由起伏逸散定理,模拟计算了该月球模型多通道辐射亮度温度．然后,以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按三层模型提出了月壤层厚度反演方法．由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层月尘一月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度,再由穿透深度较大的低频通道辐射亮度温度反演月壤层厚度．对于反演的相对误差也进行了讨论．

光学观测与微波辐射模拟对月壤厚度的反演

由月球正面的光学反照率,根据颗粒表面分光反照率的几何光学模型,计算月球正面FeO+TiO2含量的分布。根据月球正面数字高程(DEM,digitalelevationmapping)与FeO+TiO2含量之间的统计关系,由月球背面DEM构造月球背面的FeO+TiO2含量分布。由整个月球表面的FeO+TiO2含量分布,计算月球表面介电常数的分布。依据月球表面温度分布以及由DEM对应构造的月球表面月壤厚度,由起伏逸散定理,模拟计算了3,7.8,19.35,37GHz四个通道平行分层月壤微波辐射亮度温度的月球表面分布。以此模拟分布为理论观测值,提出三通道—两通道相结合的月壤厚度反演方法。当FeO+TiO2含量较低,各通道辐射亮度温度有差异时,采用三通道方法反演月壤厚度;当FeO+TiO2含量过高,使得高频7.8,19.35,37GHz的辐射亮度温度由于饱和而趋于相同时,采用两通道方法反演月壤厚度。若金属含量过高,而可能使四个通道辐射亮度温度都不易区分时,由FeO+TiO2含量可以确定出月壤厚度的下限值。为现有的多通道微波探月提供一个可行的月壤厚度反演方法,也有助于月球表面辐射亮度温度的定标与验证。

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．

利用微波辐射计对月壤厚度进行研究

介绍了运用并矢Green函数和起伏逸散定理来计算平面分层媒质的辐射亮温,同时利用最小二乘法对多通道辐射计的模拟测量结果进行处理得到分层媒质厚度的方法。将该方法应用于月壤厚度的反演研究,在假定月壤如平面分层结构模型的情况下,得到了其厚度的反演结果,并对反演误差原因进行分析。

月表微波辐射对月壤厚度及其物理温度廓线的反演

以中国"嫦娥"1号(CE-1)卫星多通道微波辐射计对月球辐射亮度温度测量数据,选取月球两极、赤道与沿经度150°W作为目标区域,结合月表面地形的数字高程模型(DEM),讨论环形山月球表面(特别是光照度低的两极区域)微波辐射亮度温度的分布。由昼夜温度变化产生的月壤物理温度分布廓线的三层辐射传输理论模型为基础,结合阿波罗登月点月壤厚度测量数据,用CE-1多通道微波辐射观测数据反演与讨论了目标区域的月壤层物理温度廓线及其月壤层厚度。

月壤厚度的主被动微波遥感研究

主被动微波遥感的探测技术是当前获取月壤厚度信息的重要手段。主动微波技术和被动微波技术在探测月壤厚度的物理机理、研究中使用的参数和考虑的关键问题等方面都有所不同。在总结了前人研究成果的基础上,系统分析了月壤厚度研究中需要着重考虑的参数分布,并详细探讨了主被动微波遥感技术获取月壤厚度的原理及研究中所涉及的关键问题。

中国“嫦娥一号”首次成功测量月壤厚度

中国自主研发的首个月球探测器“嫦娥一号”，在国际上首次搭载微波辐射遥感系统，并成功“测量”月壤厚度，就此开启了全新的“科学之眼”。作为“嫦娥一号”微波辐射探月理论研究队伍，复旦大学金亚秋院士领衔的项目“极化电磁散射传输与空间微波遥感对地观测信息理论”，获国家自然科学奖二等奖。

用“嫦娥一号”卫星微波探测仪亮温反演月壤厚度和^3He资源量评估的方法及初步结果分析

CELMS是世界上首次从月球轨道对月表进行探测的被动微波遥感器,其探测的亮温是表面物理化学特性的直接反映,包含了表面温度、介电常数、月壤厚度以及表面地形等的综合信息.通过对微波辐射亮温特性的研究,能够建立这些物理化学特征参数与亮温的关系,从而达到对壳温的直接反演.结果表明,月壤厚度的分布范围多数在4～6m,5m以上的厚度区域占全月的43%以上.其次,利用CELMS所获得的亮温反演得出全月月壤表面介电常数和月壤厚度,根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,计算了全月3He丰度分布.利用微波辐射计探测的月壤厚度数据对全月3He资源量进行了估算,估算出全月3He资源量约为103万吨.

“嫦娥一号”微波探测仪探测月壤厚度机理和地面验证实验

"嫦娥一号"微波探测仪(CELMS)是国际上首次在月球轨道直接测量月球亮温的被动微波遥感器,其科学目标是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.介绍了月壤厚度探测机理,建立了亮度温度随月壤厚度变化的理论模型,利用地面验证实验对探测机理和辐射传输模型进行了初步验证.

“嫦娥”1号对月球表面微波辐射观测分析及其月壤厚度反演

我国"嫦娥"1号绕月卫星在世界上首次搭载了多通道微波辐射计,测量整个月球表面的微波热辐射,由此用以反演月球表面月壤厚度分布.文中以"嫦娥"1号微波辐射计2007年11月至2008年2月对月表的621轨观测数据为基础,由太阳入射角选取与归组对应的月表辐射亮度温度,按近邻插值方法得到整个月球表面昼夜辐射亮度温度分布.由月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型分析月球表面辐射亮度温度随纬度、频率以及FeO+TiO_2含量的分布特征.首先以Apollo着陆点月壤层参数的实测值为基础,对Apollo着陆点辐射亮度温度的实测值与理论值进行了比较和定标分析。以Apollo着陆点高频通道对物理温度的反演为基础,结合月表面物理温度随纬度变化的经验性结果,由穿透深度较大的3 GHz通道的辐射亮度温度反演出整个月球表面的月壤厚度分布,并与Apollo着陆点月壤厚度的实测值做了比较与验证。

非均匀月壤介质的被动微波辐射传输模拟

基于非均匀月壤物理模型和辐射传输方程,模拟月壤介质中的微波辐射传输特性,探讨频率、月壤厚度等与月表亮温的关系。结果表明:在低频段,月壤微波辐射亮温的动态变化范围较大,可探测的月壤厚度大,3 GHz时的最大可探测月壤厚度达12.4 m;在高频段对应的可探测月壤厚度较小,特别是从50GHz往后的频率段内,最大可探测月壤厚度均小于2 m。不同频率的亮温-厚度变化曲线没有交叉点,且频率越高,所能探测的月壤厚度越小。根据模拟结果,建立了月壤厚度与亮温的查找表。基于查找表,利用单个波段的亮温数据即可得到月壤厚度信息。

厚度对月壤微波辐射亮温的影响

基于嫦娥系列卫星微波辐射计数据的月壤厚度反演是中国月球科学研究的重要目标之一。基于辐射传输方程,数值模拟了不同频率、(FeO+TiO2)含量和表面温度条件下厚度对月壤微波辐射亮温的影响;基于嫦娥二号卫星微波辐射计(Chang’E Lunar Microwave Sounder,CELMS)数据,结合Apollo计划获取的月壤厚度资料及其他月壤厚度资料,系统分析了厚度对CELMS观测数据的影响。结果表明:频率、(FeO+TiO2)含量、表面温度对亮温的影响远大于厚度对亮温的影响,是基于CELMS数据进行月壤厚度反演的重要影响因素;低频、低(FeO+TiO2)含量、低温条件下,厚度对CELMS数据的影响最大;利用3 GHz、凌晨时刻的CELMS数据进行月陆地区月壤厚度反演可行。研究结果对基于嫦娥系列卫星CELMS数据的月壤厚度反演具有重要参考意义。

“嫦娥一号”多通道微波辐射计测量估算全月球月壤层氦3含量

由太阳风注入月球表面月壤层的氦3(3He)是一种可供核聚变燃料使用的最有价值的月球资源之一.以Apollo月壤样品为基础,提出月表面3He含量与月表面归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间成线性关系.中国2007年10月24日首次成功发射的"嫦娥一号"(CE-1)探月卫星在世界上首次载有多通道微波辐射计,用于测量月表面微波辐射亮度温度(brightness temperature,Tb).本文根据CE-1观测的多通道Tb数据反演的全月球月壤层厚度,估算全月球月壤层3He总含量约为6.6×108kg,其中月球正面3.7×108kg,月球背面2.9×108kg.

月球表面月壤中^3He含量分布的定量估算

太阳风注入月球表面月壤层的3He是一种可供人类使用的潜在月球资源.月壤中3He含量主要与太阳风通量、月壤成熟度以及月壤中TiO2含量等主要因素有关.根据受地球磁尾影响的太阳风通量模型,给出了月球表面太阳风通量随经纬度的分布.根据Clementine(克莱门汀)的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤光学成熟度(OMAT,Optical Maturity)以及月壤中TiO2含量的分布.在此基础之上,根据Apollo(阿波罗)月壤样品的测量结果,给出月壤表层3He含量与月表归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间的关系,并由此计算了整个月球表面月壤表层3He含量的分布.根据Apollo测量数据,以月球表面数字高程经验性构造的月壤厚度为例,给出了月球表面整个月壤层单位面积内3He含量分布,并估算了整个月球表面月壤层所蕴含的3He的总量.

月球吕姆克地区微波辐射特性及月壤参数反演研究

嫦娥五号月球探测器预计将在月球风暴洋北部的吕姆克地区着陆并实施钻探采样.为辅助确定采样点,本文基于嫦娥微波探测仪数据首先对该区域的昼夜微波辐射特性进行了分析,然后对月壤介电常数和厚度进行了反演.由微波亮温图可知:昼夜亮温随频率的变化规律不同,白天37GHz亮温最高,黑夜19.35GHz亮温最高;三个高频通道的昼夜亮温分布不同,尤其在南部;吕姆克E区域白天亮温较高,黑夜亮温较低,昼夜温差较大.月壤参数的反演结果表明介电常数西、北部低,中、东部高,吕姆克E附近区域值最大;西北部月壤厚度大于6m,其他绝大部分区域不超4m,吕姆克E区域月壤最薄,约2.5m.考虑卫星的平稳着陆及钻孔采样,建议着陆区选在月壤较厚的西北部,并避开吕姆克E区域.

搭建嫦娥二号信息链——航天科技集团公司九院704所精心研制嫦娥二号测控设备侧记

举世瞩目的嫦娥二号卫星发射圆满成功后,在浩瀚的宇宙深空高速运转．准确接收来自地面的指令,对月球表面元素分布、月壤厚度、地月空间环境进行科学探测．并将珍贵的数据资料源源不断地传回地面,为我国绕月探测工程下一步实现月面着陆奠定了重要基础。卫星在太空中就如同放飞于天空的风筝,

微波月亮--人类对月球的全新视角--中国“嫦娥一号”卫星微波探测仪若干探测结果

中国"嫦娥一号"探月卫星自2007年10月24日成功发射并于同年11月7日进入其工作轨道。在轨工作一年多,完成了全部使命,期间获取了大量的科学数据。其中"嫦娥一号"月球微波探测仪(Chang’e-1 Lunar Microwave Sounder——CELMS)已多次覆盖全月表面,首次获取了全月微波亮温分布数据,创建了"微波月亮"(Microwave Moon——Mic M)。"微波月亮"的建立为月球科学研究、宇宙科学研究、月球资源研究及应用、未来月球基地的建立等带来了全新的信息,与"可见月亮"、"红外月亮"及其它相关探测结果(如X、γ谱仪,中子谱仪)、地基探测及未来月球轨道上观测和就位探测等多方信息的融合、分析,将大大提升人类对太空、月球及宇宙起源、生命起源等问题的认识和研究水平,在人类探月活动中具有里程碑意义。在"嫦娥一号"卫星微波探测仪绕月探测之前,从来没有从月球轨道对全月球进行微波探测的活动。很多涉及月球微波特征研究,如月表微波亮温分布、月壤厚度及氦-3资源量分布信息、涉及月球历史等的研究多数是靠Apollo、Luna的落月点实测数据为依据,加上其它探测(如光学等)结果融合分析并逻辑延伸而得来的,因此其结果存在相当的多解或不确定性,这就使我们对月球微波辐射特性的真实情况了解很少,甚至可能有偏差。着重讨论"微波月亮"的含义,其相关信息内涵,几种特征区、点的分析等。根据微波探测仪的数据,获得了全月月壤厚度分布、氦-3资源量评估、全月亮温及其变化规律等研究结果,得出了一些与现今其它研究结果不同的结论。