月球縱向溫度分布遙感探測方法研究.pdf

1、月球是深空探測的起點(diǎn)，它可以為人類提供豐富的資源，對月球進(jìn)行探測不僅可以利用這些資源并且還可以了解月球演化史，為人類進(jìn)一步了解宇宙提供更多寶貴信息。月表縱向溫度分布是探月的科學(xué)目標(biāo)之一，通過它不僅可以得到月球熱流信息，還可以提取古太陽輻射的歷史信息，揭示古太陽輻射變化規(guī)律。古太陽輻射變化規(guī)律可以作為分析太陽輻射對地球氣候影響的重要依據(jù)，對研究地球全球氣候變化問題具有重要的意義。本文研究月表縱向溫度分布的遙感探測方法，首先建立了月表的微波

2、輻射和散射模型；然后根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了月球永久陰影區(qū)的亮溫分布特征。為了實(shí)現(xiàn)月表縱向溫度分布探測的目標(biāo)，重點(diǎn)討論了如何利用多頻微波輻射亮溫進(jìn)行溫度剖面的反演。最后，搭建了散射測量系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了用于散射測量的天線，在微波暗室對模擬月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散射測量。本文的研究工作主要包括以下幾個內(nèi)容：
　　為了了解月表的微波輻射和散射特性，需要建立輻射和散射模型。本文首先提出了一種改進(jìn)的IEM2Mc方法，用于計(jì)算粗糙月表的電磁散射問題，該方法主

3、要特點(diǎn)在于在基爾霍夫表面場項(xiàng)中保留了完整的表面電流項(xiàng)和采用過渡模型來預(yù)測菲涅爾反射系數(shù)，在入射角或者散射角偏大時可以更好地估計(jì)散射系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)散射角大于60度后，改進(jìn)和未改進(jìn)前的結(jié)果差別會越來越大。將改進(jìn)的IEM2Mc方法和非相干方法進(jìn)行混合，用于計(jì)算月表多層結(jié)構(gòu)的微波輻射亮溫，表面的發(fā)射率通過改進(jìn)的IEM2Mc方法得到，表面下的多層結(jié)構(gòu)的輻射亮溫則由非相干方法得到。此外，還利用非相干方法建立了多層模型用于分析輻射計(jì)埋入月壤內(nèi)

4、時輻射計(jì)上部物質(zhì)輻射亮溫與輻射計(jì)接收到的總亮溫的關(guān)系，仿真的結(jié)果顯示在零度角時上部的輻射貢獻(xiàn)極其小。
　　利用嫦娥二號的微波亮溫?cái)?shù)據(jù)和LRO探測器的紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，分析了月球南極永久陰影區(qū)Shoemaker、Haworth撞擊坑的微波和紅外亮溫分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)永久陰影區(qū)內(nèi)微波和紅外亮溫隨時間變化不一致的現(xiàn)象，即紅外亮溫會隨時間持續(xù)降低，而微波亮溫則在2011年3月后下降變緩甚至有上升趨勢。隨后，利用熱傳導(dǎo)模型和微波輻射模型解釋了這一異

5、?，F(xiàn)象，同時利用假設(shè)的線性溫度函數(shù)對Shoemaker地區(qū)進(jìn)行了溫度剖面反演，發(fā)現(xiàn)線性溫度函數(shù)并不能解釋永久陰影區(qū)全年的變化情況。
　　當(dāng)遙感設(shè)備位于月表上時，從輻射計(jì)探測深度的兩種定義方式出發(fā)，分別計(jì)算了探測10米以上溫度信息所需要的探測頻率，并進(jìn)一步給出內(nèi)部極小溫度波動時，對應(yīng)所需的輻射計(jì)靈敏度。利用微波輻射模型計(jì)算了多頻反演時的權(quán)值函數(shù)，采用先驗(yàn)約束法對月表縱向溫度剖面進(jìn)行了反演，反演時分別考慮了微波輻射計(jì)置于月表上方和埋入

6、月壤內(nèi)部時兩種情況，結(jié)果顯示埋入月壤內(nèi)部時反演的效果更好。
　　搭建了頻率步進(jìn)的散射測量系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了用于散射測量的天線，設(shè)計(jì)的天線是準(zhǔn)八木結(jié)構(gòu)的微帶天線，可以工作在兩個頻段。天線可以組成天線陣，在陣列中天線之間引入蛇形細(xì)槽結(jié)構(gòu)以降低互耦。將天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成頻率步進(jìn)的微波散射測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出模擬月壤的介電常數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了天線性能和散射計(jì)測量系統(tǒng)的可行性，同時說明散射測量可以給縱向溫度探測提供介電常數(shù)和