基于CE-1號衛(wèi)星微波輻射計傳感數(shù)據(jù)的月壤厚度反演.pdf

1、月壤層包含著月球及太陽系物質(zhì)和能量的大量重要信息。在數(shù)億年的形成和演化過程當(dāng)中，月壤記錄了地月系的起源和演化歷史、隕石和微隕石對月球的撞擊，以及太陽風(fēng)和宇宙射線對月球的轟擊；反映了月球物質(zhì)的成分和分布特點。對月壤的系統(tǒng)研究可獲得豐富的科學(xué)信息。月壤厚度的研究是月壤研究的一項重要的內(nèi)容，它對以后的月球探測、載人登月、月球基地選址以及開發(fā)和利用月球資源等都具有非常重要的意義。在以往的月球探測活動中，月壤厚度一直都是科學(xué)家關(guān)注的對象。我國第一

2、顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥1號”(CE－1)的科學(xué)目標(biāo)之一就是利用其攜帶的微波輻射計所獲得的月球表面微波輻射亮度溫度數(shù)據(jù)研究月壤厚度的分布，并在此基礎(chǔ)上評估月球上3He資源含量。這是國際上首次在月球軌道上用被動微波遙感的方法探測全月球表面的月壤厚度分布。
　　 月球表面的微波輻射亮度溫度包含著豐富的月球及其外空間的信息，直接反映了月球表層物質(zhì)的物理化學(xué)特性，包括月球表層溫度、月表物質(zhì)的化學(xué)組分、密度、介電特性、月壤的厚度、以及地形地貌

3、等。利用從月球軌道上獲得的微波亮溫數(shù)據(jù)反演月壤厚度在國際上屬于首次，這是一個復(fù)雜的過程，目前還有很多問題有待系統(tǒng)的研究和解決。本文主要研究工作和貢獻如下：
　　 1.研究了月壤中TiO2和FeO的含量、月壤的密度、介電常數(shù)分布，以及月球表面粗糙度等多種因素對月球表面亮度溫度的影響，為建立月壤中合理的微波輻射傳輸模型提供了依據(jù)。
　　 2.研究了月球表面及月壤中溫度的分布。在所有影響微波輻射亮度溫度的月壤參數(shù)中，溫度的變化

4、對亮溫的變化起主導(dǎo)作用。研究月壤中溫度的分布在建立微波輻射傳輸模型和反演月壤厚度的過程中都奎關(guān)重要。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，建立了一維變系數(shù)月球表層熱傳遞模型，模擬了月球表面及月壤中溫度隨時間、月壤深度以及地理位置的變化，并全面分析了各種熱物理參數(shù)對計算結(jié)果的影響，為本文建立月壤的微波傳輸模型并模擬CE-1號上MRM獲得的月表亮溫數(shù)據(jù)提供了依據(jù)。
　　 3.根據(jù)上述研究結(jié)果，按照月壤的密度，介電常數(shù)及溫度隨月壤深度的變化，提出了

5、一種非均勻多層的月壤微波輻射傳輸模型，并分別應(yīng)用起伏逸散定理和非相關(guān)法推導(dǎo)了非均勻多層媒質(zhì)表面微波輻射亮溫與媒質(zhì)厚度、溫度等參數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)過比較和化簡后得出了統(tǒng)一的亮溫計算公式。然后，模擬了CE-1衛(wèi)星所攜帶的微波輻射計各頻率通道所接收到的月球表面微波輻射亮溫隨月壤厚度、溫度、緯度等變化的規(guī)律。與簡單分層的模型相比，本文模型能夠更加準確地反映亮溫與月壤厚度之間的關(guān)系，并且模型具有合理性和穩(wěn)定性。
　　 4.研究了CE-1上微

6、波輻射計所獲得的2C級亮溫數(shù)據(jù)的處理方法。提出一種基于支持向量機(SVM)和粒子群優(yōu)化算法的2C級亮溫數(shù)據(jù)回歸分析方法，獲得了4個頻率的微波輻射亮溫在月表特定時刻的全球分布，為快速反演月壤厚度分布提供了基礎(chǔ)。同時，回歸結(jié)果也為修正具有明顯誤差的2C級亮溫數(shù)據(jù)提供了參考。
　　 5.根據(jù)本文非均勻多層微波輻射傳輸模型提出了相應(yīng)的月壤厚度反演方法，并利用3GHz亮溫數(shù)據(jù)反演出了全月球表面月壤厚度的分布。分析表明，本文月壤厚度反演結(jié)果

7、具有較高的精度。而且發(fā)現(xiàn)月球南北極存在少數(shù)極“冷”點，這些地點因為亮溫明顯小于同緯度平均亮溫值而沒能反演出月壤厚度。但這些極“冷”點的存在，為研究這些地點是否存在水冰提供了假設(shè)前提。
　　 6.本文提出利用SVM方法反演月壤厚度。根據(jù)緯度、月壤中TiO2+FeO含量、采樣時間和月壤厚度一定時各頻率通道測得的月球表面亮溫之間的關(guān)系來訓(xùn)練月壤厚度預(yù)測模型。然后利用4個頻率的亮溫數(shù)據(jù)和相應(yīng)的采樣信息反演出月壤厚度分布。結(jié)果表明，利用S