月球微波遙感的理論建模與參數(shù)反演.pdf

1、在漫長(zhǎng)的月球地質(zhì)歷史時(shí)期中,月球表面受隕石小天體的撞擊,受太陽—宇宙線的照射,儲(chǔ)存了月球地質(zhì)與太陽輻射活動(dòng)的歷史。對(duì)月球表層物質(zhì)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及其分布的了解,可以為月球地質(zhì)提供重要的信息,同時(shí)也對(duì)月球資源的科學(xué)認(rèn)識(shí)、未來的探月、登月以及月球開發(fā)等都具有十分重要的意義。月表物質(zhì)為低損耗介質(zhì),適當(dāng)頻率的電磁波可以穿透到月表以下一定深度,從而可以揭示月球表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。近來,在地球遙感中廣泛應(yīng)用的星載微波遙感技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到對(duì)月球表層結(jié)構(gòu)的

2、探測(cè)中。本文以電磁波與月球表層物質(zhì)的相互作用為物理基礎(chǔ),結(jié)合月球表面特有的地形地貌與分層結(jié)構(gòu)特征,研究和發(fā)展了一套用于探測(cè)月球表面月壤特性、次表層結(jié)構(gòu)特征的豐被動(dòng)微波遙感理論模型和參數(shù)反演方法,旨在初步解決目前微波遙感在月球探測(cè)中的一些基本問題,也希望能對(duì)我國現(xiàn)行的和將來的探月工程提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。
　　 本文分為被動(dòng)微波遙感對(duì)月壤特性的研究、主動(dòng)雷達(dá)遙感對(duì)月球表面和次表層的研究以及作為擴(kuò)展的火星探測(cè)中的微波遙感技術(shù)三部分。在

3、被動(dòng)微波遙感對(duì)月壤特性的研究中,給出了月球表面微波熱輻射的理論建模,完成了月表輻射亮度溫度的正向模擬,提出了一種月表輻射亮度溫度定標(biāo)方法,進(jìn)而給出了月壤厚度的反演方法,并對(duì)反演的誤差進(jìn)行了分析,最后定量估算了整個(gè)月壤層中3He(氦-3)資源的含量。在主動(dòng)雷達(dá)遙感對(duì)月表的探測(cè)中,結(jié)合月表特定的地形地貌給出了月球表面合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像模擬,提出了全極化脈沖波對(duì)月壤層結(jié)構(gòu)的探測(cè)方案,最后模擬了高頻雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)月球次表層結(jié)構(gòu)探測(cè)的回波,

4、分別實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對(duì)月球表面、淺層月壤結(jié)構(gòu)和次表層結(jié)構(gòu)的探測(cè)。作為全文的擴(kuò)展,結(jié)合我國深空探測(cè)的進(jìn)一步需要,回顧了國際上對(duì)火星的探測(cè)歷史及其研究現(xiàn)狀,提出了主被動(dòng)微波遙感對(duì)火星表層土壤層、水(或冰)探測(cè)的幾種可行方案。
　　 在被動(dòng)微波遙感對(duì)月球表面的觀測(cè)中,月表的輻射亮度溫度主要與月壤層厚度、月壤介電常數(shù)和物理溫度等參數(shù)有關(guān)。首先根據(jù)月壤厚度與月球表面高度的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系,由Apollo(阿波羅)著陸點(diǎn)月壤厚度的實(shí)測(cè)值和月球表面數(shù)字

5、高程分布,試驗(yàn)性地構(gòu)造整個(gè)月表的月壤厚度分布。由美國Clementine(克萊門汀)探月衛(wèi)星給出的月球表面紫外-可見光光學(xué)數(shù)據(jù),計(jì)算了整個(gè)月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,再根據(jù)月壤介電常數(shù)與FeO+TiO2含量之間的關(guān)系,給出了整個(gè)月球表面月壤的介電常數(shù)分布。根據(jù)月壤的熱導(dǎo)率等特性,研究了月壤物理溫度隨深度的變化。由月球表面物理溫度的實(shí)際測(cè)量值和理論計(jì)算值,給出了月球表面和月壤深層溫度隨緯度單調(diào)變化的經(jīng)驗(yàn)性關(guān)系。在這些條件的基礎(chǔ)

6、之上,將月球表層分為三層,即月塵層、月壤層、月巖層,由三平行分層介質(zhì)熱輻射的起伏逸散定理模擬了整個(gè)月球表面多通道輻射亮度溫度分布,并討論了輻射亮度溫度隨有關(guān)參數(shù)的變化情況。
　　 在作為逆問題的月壤厚度反演中,將以上輻射亮度溫度的模擬值加隨機(jī)噪聲作為理論觀測(cè),提出一種月壤厚度的反演方法。由于FeO+TiO2含量較高時(shí)高頻通道的穿透深度小,選擇月球表面同一緯度不同經(jīng)度處月壤中FeO+TiO2含量較高的地方作為參考點(diǎn),由兩層月壤熱輻

7、射模型反演月塵層和月壤層物理溫度隨緯度的變化。然后,以上述參考點(diǎn)反演的物理溫度為已知量,由穿透深度大的低頻通道的輻射亮度溫度反演整個(gè)月球表面的月壤厚度分布。由輻射亮度溫度、月壤厚度與月壤層各參數(shù)之間的關(guān)系,對(duì)月壤厚度的反演誤差進(jìn)行了分析與討論。根據(jù)Apollo著陸點(diǎn)月壤厚度和FeO+TiO2含量的實(shí)測(cè)值,提出了一種輻射亮度溫度驗(yàn)證與定標(biāo)的方法,最后給出了月壤厚度的實(shí)際反演方案。
　　 在獲得了月球表面輻射亮度溫度以及準(zhǔn)確反演出月

8、壤厚度之后,可以對(duì)月球表面月壤層中3He等資源的含量與總量進(jìn)行估算。太陽風(fēng)注入月球表面月壤層的3He是一種可供人類長(zhǎng)期使用的潛在月球資源。月壤中3He含量主要與太陽風(fēng)通量、月壤成熟度以及月壤中TiO2含量等因素有關(guān)。根據(jù)受地球磁尾影響的太陽風(fēng)通量模型,給出了月球表面歸一化太陽風(fēng)通量隨經(jīng)緯度的分布。根據(jù)Clementine紫外—可見光光學(xué)數(shù)據(jù),計(jì)算了整個(gè)月球表面月壤光學(xué)成熟度和月壤中TiO2含量的分布。在此基礎(chǔ)之上,根據(jù)Apollo月壤樣

9、品的測(cè)量結(jié)果,給出月壤表層3He含量與月表歸一化太陽風(fēng)通量、月壤光學(xué)成熟度以及TiO2含量之間的關(guān)系,并由此計(jì)算了整個(gè)月球表面月壤表層3He含量的分布。以月球表面數(shù)字高程經(jīng)驗(yàn)性構(gòu)造的月壤厚度為例,給出了月球表面整個(gè)月壤層單位面積內(nèi)3He含量分布,并估算了整個(gè)月壤層內(nèi)所蘊(yùn)含的3He總量。
　　 在主動(dòng)雷達(dá)遙感對(duì)月球表層結(jié)構(gòu)的探測(cè)中,不同頻率的電磁波可以獲取月球表層不同深度處的信息,本文研究了月球表面合成孔徑雷達(dá)成像模擬,提出了低空

10、飛行全極化L波段雷達(dá)窄脈沖對(duì)月壤層結(jié)構(gòu)的探測(cè)方案,模擬了高頻雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)月球次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的回波,分別實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對(duì)月球表面、淺層月壤結(jié)構(gòu)和次表層結(jié)構(gòu)特征的探測(cè)。
　　 為模擬月球表面的合成孔徑雷達(dá)成像,按照月球表面環(huán)形山數(shù)目和形態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征,數(shù)值構(gòu)造了不同特征環(huán)形山分布的非均勻起伏月球表面地形。根據(jù)月球表面地形起伏坡度的非均勻特征,提出了一種由不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分來構(gòu)造月球表面數(shù)字地形的方法。對(duì)于地形起伏變化小的地方,剖分面

11、元尺寸大,而對(duì)于起伏變化大的地方,剖分面元尺寸小,能用盡量少的面元表征非均勻月球表面的隨機(jī)高度起伏。在該數(shù)字模型的基礎(chǔ)上,由Kirchhoff近似給出了月球表面雷達(dá)回波的計(jì)算,數(shù)值模擬了兩種不同形狀環(huán)形山以及密集環(huán)形山分布的非均勻起伏月球表面的合成孔徑雷達(dá)成像。以Apollo15著陸點(diǎn)地區(qū)月球表面真實(shí)的數(shù)字高程和Clementine紫外-可見光光學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),給出了Apollo15地區(qū)月球表面SAR成像模擬結(jié)果。最后,對(duì)模擬的SAR圖像

12、特征做了定量分析,并與月球表面真實(shí)SAR圖像做了定性比較。
　　 為探測(cè)淺表層月壤的特性,進(jìn)一步提出了低空飛行全極化L波段雷達(dá)窄脈沖探測(cè)月壤層厚度與結(jié)構(gòu)的建議。月壤層為一層具有上下隨機(jī)粗糙界面的有耗介質(zhì)層,在下墊月巖粗糙界面上有一層隨機(jī)分布的碎石散射體。推導(dǎo)出了包含面散射、體散射,以及面-體相互作用七種散射機(jī)制的全極化脈沖波Mueller矩陣解。以月壤特征參數(shù)如月壤層厚、FeO+TiO2含量、介電常數(shù)、月壤界面粗糙度、碎石分布等

13、為函數(shù),用時(shí)域Mueller矩陣解數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的可行性,結(jié)果表明L波段窄脈沖極化回波波形能用于反演或估算月壤厚度與分層結(jié)構(gòu)。
　　 與微波頻段相比較,高頻波段的電磁波可以穿透到月表以下幾百米至幾千米的月表深層,從而可以揭示出月球次表層結(jié)構(gòu)特征。在月球次表層探測(cè)中,高頻雷達(dá)探測(cè)儀主要通過表面天底點(diǎn)和次表面天底點(diǎn)回波的時(shí)延差與強(qiáng)度來給出月球次表層的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)狀態(tài)。由于電磁波在次表層傳播過程中受衰減、透射、散射等影響,次表面的

14、回波往往很微弱。受月球表面非均勻起伏地形的影響,來自月球表面非天底點(diǎn)的較強(qiáng)回波往往會(huì)淹沒次表面天底點(diǎn)回波,成為次表層結(jié)構(gòu)探測(cè)中的最大障礙。因此,對(duì)電磁波在月球表層內(nèi)傳播、散射、衰減的定量模擬,對(duì)于如何從雷達(dá)探測(cè)儀回波中提取微弱的次表面天底點(diǎn)回波,進(jìn)而獲取月球次表層結(jié)構(gòu)特征具有非常重要的意義。基于Kirchhoff近似、幾何光學(xué)和射線追蹤方法,提出一種快速模擬月球表面雷達(dá)探測(cè)儀回波的方法。首先給出雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)月球次表層結(jié)構(gòu)探測(cè)的原理與雷達(dá)

15、探測(cè)儀回波的模擬流程。由偶極子天線局部坐標(biāo)系與月球主坐標(biāo)系之間的關(guān)系,給出了雷達(dá)探測(cè)儀在月球表面的輻射場(chǎng)分布。根據(jù)月球表面地形特征,以模擬構(gòu)造的月球表面數(shù)字高程為例,由規(guī)則三角形網(wǎng)格對(duì)月表地形進(jìn)行了剖分。根據(jù)Kirchhoff近似,給出了月球表面回波的模擬原理,由射線追蹤、幾何光學(xué)和Kirchhoff近似等方法給出了次表面回波的模擬原理。最后,以數(shù)值構(gòu)造的月海表面地形為例,數(shù)值模擬了雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)次表層結(jié)構(gòu)探測(cè)的回波,并分析了有關(guān)參數(shù)對(duì)回

16、波的影響,得出了有效探測(cè)次表層結(jié)構(gòu)的幾個(gè)準(zhǔn)則。
　　 作為全文的擴(kuò)展部分,從微波遙感的角度出發(fā),回顧了國際上對(duì)火星的探測(cè)歷史,歸納了目前國際上對(duì)火星的探測(cè)現(xiàn)狀,列出了對(duì)微波遙感探測(cè)有影響的火星表層土壤和巖層的結(jié)構(gòu)、分布及其介電特性等參數(shù)的已有探測(cè)結(jié)果,以及對(duì)火星地殼表層水(或冰)存在的可能性及其分布狀態(tài)的研究動(dòng)向。結(jié)合地球表面微波遙感技術(shù)的最新進(jìn)展,提出用主動(dòng)與被動(dòng)微波遙感探測(cè)火星表面淺層土壤物質(zhì)狀態(tài)和分層結(jié)構(gòu)的可行性分析,初步

17、研討了火星表層是否有水(或冰)存在的探測(cè)方案。最后,對(duì)這些方案的可行性進(jìn)行了分析,并對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。
　　 由被動(dòng)微波遙感對(duì)月壤特性的研究、主動(dòng)雷達(dá)遙感對(duì)月球表層與次表層結(jié)構(gòu)的探測(cè)以及作為擴(kuò)展部分的火星探測(cè)中的微波遙感技術(shù)構(gòu)成的月球表面主被動(dòng)微波遙感的理論建模與參數(shù)反演方法是作者五年多博士研究工作的全面總結(jié),期望能初步解決目前微波遙感在月球探測(cè)中的一些基本問題,也希望本文工作能夠?qū)ξ覈奶皆鹿こ桃约拔磥淼纳羁仗綔y(cè)等