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，它可以為人類提供豐富的資源，對月球進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目標之一，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。為了實現(xiàn)月表縱向溫度分布探測的目標，重點討論了如何利用多頻微波輻射亮溫進行溫度剖面的反演。最后，搭建了散射測量系統(tǒng)并設(shè)計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的IEM2Mc方法，用于計算粗糙月表的電磁散射問題，該方法主

3、要特點在于在基爾霍夫表面場項中保留了完整的表面電流項和采用過渡模型來預測菲涅爾反射系數(shù)，在入射角或者散射角偏大時可以更好地估計散射系數(shù)。計算結(jié)果顯示，當散射角大于60度后，改進和未改進前的結(jié)果差別會越來越大。將改進的IEM2Mc方法和非相干方法進行混合，用于計算月表多層結(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埋入月壤內(nèi)

4、時輻射計上部物質(zhì)輻射亮溫與輻射計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極其小。
　　利用嫦娥二號的微波亮溫數(shù)據(jù)和LRO探測器的紅外亮溫數(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。
　　當遙感設(shè)備位于月表上時，從輻射計探測深度的兩種定義方式出發(fā)，分別計算了探測10米以上溫度信息所需要的探測頻率，并進一步給出內(nèi)部極小溫度波動時，對應所需的輻射計靈敏度。利用微波輻射模型計算了多頻反演時的權(quán)值函數(shù)，采用先驗約束法對月表縱向溫度剖面進行了反演，反演時分別考慮了微波輻射計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。
　　搭建了頻率步進的散射測量系統(tǒng)并設(shè)計了用于散射測量的天線，設(shè)計的天線是準八木結(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槽結(jié)構(gòu)以降低互耦。將天線與矢量網(wǎng)絡分析儀組成頻率步進的微波散射測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)計算出模擬月壤的介電常數(shù)，進一步驗證了天線性能和散射計測量系統(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