模拟月壤中的被动微波辐射传输机理研究.doc

《模拟月壤中的被动微波辐射传输机理研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟月壤中的被动微波辐射传输机理研究.doc（8页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、精品论文模拟月壤中的被动微波辐射传输机理研究孟治国，陈圣波（吉林大学地球探测科学与技术学院，长春，130026）5摘要：获取月壤厚度信息是我国嫦娥工程的重要科学目标之一。本文根据所建立的完整月壤月岩模型，基于辐射传输方程，探讨月壤温度梯度、介电常数对月壤中微波辐射传输的影 响；并首次分析了界面粗糙度以及界面倾斜的影响。结果表明，月壤温度梯度、介电常数和上界面粗糙度等对月壤中微波辐射传输和月壤厚度信息提取的影响都很大；而月壤下界10面的粗糙度和倾角对微波辐射传输和月壤厚度信息提取的影响很小，在研究中可以被忽 略。根据模拟结果，建立了完善月壤层模型。关键词：月壤参数; 被动微波遥感; 辐射传输模拟

2、15Research on the Lunar Regolith Parameters Based onPassive Microwave Radiative Transfer SimulationMENG Zhiguo, CHEN Shengbo(College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026)Abstract: It is one of the important and scientific goals of our first lunar exploration p

3、rogram to20retrieve the lunar regolith thickness. In this paper, according to the complete lunar regolith and rock model, the influences of the regolith thermal grads, media dielectric parameters, surface roughness and the parallel or not of the two surfaces on the microwave raidative transfer in lu

4、nar regolith are studied based on the radiative transfer equation. The results show that the regolith thermal grads, the dielectric parameters and the roughness of the surface between free space and25regolith have great influences on the microwave raidative transfer in lunar regolith. The results al

5、so indicate that the roughness and the obliquity of the surface between regolith and rock have little effect on the simulation results, and they can be neglected in the following study. Therefore, a perfect lunar regolith model is constructed based on the simulation results, which can be used to ret

6、rieve the lunar regolith parameters.30Key words: Lunar Regolith Parameters, Passive Microwave Remote Sensing, Radiative TransferSimulation0引言掌握月壤厚度及其分布特征，不仅对月球资源的科学认识及其探测和开发，而且对月球35地质历史演化的研究，都具有十分重要的意义1。当前，月壤厚度信息获取方法较多，美国 Apollo 计划和前苏联 Luna 计划期间，采用直接钻探和主动月震2 4、多频电磁探测5 6等方法，共得到了 6 个登月点的月壤厚度。基于 撞击坑形态和

7、分布规律7 10的估算方法，得到了 10 个月面位置的月壤厚度平均分布情况。 基于地基雷达遥感数据地基进行的估算，得到了月球正面的月壤厚度分布情况。然而，这40些推算月壤厚度方法成本较高，数据获取困难，误差也比较大，且没有全球性的月壤厚度数 据。基金项目：教育部博士点基金(20090061120055)；国家自然科学基金 (40901159)作者简介：孟治国（1978-），男，副教授，主要研究方向：基于嫦娥一号卫星微波辐射计数据的月壤参数 反演研究通信联系人：陈圣波（1967-），男，教授，主要研究方向：地表参数定量反演研究. E-mail: chensb- 8 -在我国成功发射的嫦娥一号卫星

8、上，开创性地搭载微波辐射计，以期利用其探测的月表微波辐射亮温数据反演月壤厚度。由于掌握的月壤厚度资料较少，基于被动微波辐射传输模 拟来反演月壤厚度，是我国月壤厚度反演的主要方法1122。45影响月壤中被动微波辐射传输的因素很多，主要包括月壤温度梯度、介电常数分布等 11 22，此外，表面有效反射率、下界面的倾角对月壤辐射传输也有较大影响19 2123。月壤温 度梯度是影响月表微波辐射亮温的重要因素之一。金亚秋等和蓝爱兰等根据地球表面土壤的 温度分布规律建立了月壤温度梯度的指数型和线性模型11 13；而法文哲、金亚秋等在随后 的研究中又采用了等温模型14 16；王振占等18、李芸等24、贾明等2

9、5的研究结果表明，月50壤层内部，温度随深度的变化是非线性的。介电常数是影响表面反射率和月壤微波发射的重 要因素之一。在介电常数研究中，大多数研究人员都考虑了介电常数虚部对被动微波辐射传输的影响1316，但忽略了介电常数实部的影响。另外，根据波的传播定理，界面的粗糙度 对界面的反射率有很大影响26 。在月表面粗糙度研究和月壤主动微波研究中，Gear 和 Bastin27、Evans28、Montgomery29、Kari30、Shkuratov31分别建立了不同的粗糙真空月55壤界面和月壤月岩界面模型。在被动微波技术中，主动微波技术中建立的粗糙月壤界面模 型是否可行，有必要通过评价月壤粗糙度对

10、被动微波辐射传输模拟的影响加以验证。另外，针对月壤月岩界面，Shkuratov等31在研究中认为，该界面是不均匀的，反常得到的是该 像元范围内的平均月壤厚度；金亚秋等在利用主动微波技术模拟非均匀月壤层时，建立了月 壤下界面倾斜模型 17。在被动微波辐射传输模拟中，有必要来评价月壤下界面倾角变化对60被动微波辐射传输的影响。考虑到不同的参数条件，由于缺乏系统性分析它们对月壤中被动微波辐射传输的影响，就得到不同的月壤厚度反演模型，增加了月壤厚度反演的不确定性。因此，有必要对月壤参 数对模拟结果的影响程度进行分析。该研究将在月壤-月岩被动微波辐射传输模拟中，综合 考虑月壤温度梯度、介电常数分布、界面

11、粗糙度以及下界面倾斜等情况，建立完整的被动微65波辐射传输模拟模型，进而系统模拟分析这些参数对月壤-月岩中被动微波辐射传输的影响。 在此基础上，优化了月壤被动微波辐射传输模型。1月壤被动微波辐射传输模拟考虑到月壤介质中的温度梯度、介电常数分布、界面粗糙、下界面倾斜，建立完整的月 壤-月岩模型（图 1）。e 0q0q 1e 170e 2TB1q0q 1q 2TB2q0q 1qxZ自由空间Z = 0月壤Z = d月岩图 1 月壤被动微波辐射传输模拟Fig.1 Microwave radiative transfer model in lunar regolith根据微波辐射传输理论26，在微波辐射

12、计观测方向角 0 上，亮温 TB 由来自月壤的辐射TB1 和来自月岩的辐射 TB2 组成，TB1 又包括上行辐射 T1up 和下行辐射 T1dn，TB2 只有上行辐射75T2up，则有TB = TB1 + TB 2 = T1up + T1dn + T2up(1)其中，各分量的微分形式为：dT1up =1 - rp11 - Lka1 (z)T (z) secq1ez- ka1 ( z) secq1dz0dz(2)(1 - rp1 )rp 2d( ka1 ( z ) se c (q1 q x ) dzd ka1 ( z ) se cq1dz )dT1dn =1 - L-zk a1 ( z)T (

13、z) secq1e+ +0dz (3)80dT(1 - rp1=)(1 - rp 2 )k( z)T ( z) secqz- k a 2 ( z) secq 2 dz e z - ddz ed- 2 k a1 ( z ) secq1dz 0(4)2up1 - L a 2 2这里，考虑了下界面倾斜，倾角为 x；1 和 2 分别是微波在月壤和月岩中的入射角，满足折射定理20；p = h、v,分别代表波的水平和垂直极化；k1(z)和 ka2(z)分别是深度 z 处月壤、 月岩的吸收系数，它们与介质介电常数的有关；根据 Fresnel 定理26和 Q/h 模型23, 32分别得 到界面 1（自由空间月

14、壤界面）、界面 2（月壤月岩界面）的反射率 rp1 和 rp2，它们是85介质介电常数实部的函数；d 为月壤厚度；L = rp1rp 2 ed-2 ka1 ( z ) secq1dz0，且1 / (1 - L)为多次反射系数；T(z)是月壤介质的温度梯度函数，常用的温度梯度函数有指数型（式(5)）11 13、 线性（式(6)）12和等温型（式(7)）14 16：(T- T )e - z / 20 + T ,z 100cm(5)(T0 - T2 ) z+ T2 ,z 100cm, 月壤, 月岩(6)(7)T2式中，T(z)为深度为 z 处（单位：cm）的月壤（岩）温度；T0 是月壤表面温度，T2

15、 是 1m 以 下的月壤和月岩温度。应用中，假定 T0300K，T2200K。2影响因素模拟分析根据所建立的月壤中被动微波辐射传输模型，分别模拟月壤介质中温度梯度T(z)、月壤95介电常数1、界面粗糙度Q及下界面倾角x对被动微波辐射传输的影响。研究中，分别取p v，频率f = 3 GHz，探测器观测角为0 = /6。2.1温度梯度影响模拟100105110(a) 指数型温度梯度时得到的亮温(b) 等温型温度梯度时得到的亮温(a) TB with exponential thermal grads(b) TB with isothermal grads图 2 月壤温度梯度对微波辐射亮温的影响Fi

16、g.2 Influences of different regolith thermal grads on brightness temperature图2 是假定1 3.0 + i0.003、2 5.0 + i0.5、Q = 0、x = 0，根据指数型温度梯度 和等温型温度梯度分别得到月表亮温随月壤厚度的变化曲线。图 2(a)中的亮温动态变化范围较小，仅 2K 左右。当月壤厚度小于 19 米时，亮温与月 壤厚度是一一对应的。这个厚度值定义为该频率时的最大可探测月壤厚度。当月壤厚度大于 该厚度值时，亮温变化不稳定。图 2(b)中的亮温动态变化范围很大，可达 70K 左右。在厚 达 21 米的月

17、壤内，厚度与亮温一一对应。由此看出，月壤温度梯度对月壤微波辐射亮温及 其厚度信息的提取影响较大。为反演高精度的月壤厚度就必须掌握精确的月壤温度梯度。2.2介电常数影响模拟115120根据资料14 163334，月壤介电常数虚部的变化在0.0030.042之间。这里假定月壤温 度梯度T(z)采用式(5)、2 5.0 + i0.5、Q = 0、x = 0。改变月壤介电常数的虚部和实部，通过辐射传输模拟就可以得到微波辐射亮温与介电常数变化的关系，由此研究介电常数对模拟亮温的影响（图3）。图3(a)是实部1 =3.0、虚部1分别为0.003、0.005、0.01、0.03、0.042 时，根据月壤辐射

18、传输模型得到的亮温随月壤厚度的变化曲线；图3(b)是假定月壤厚度分别 为2米和8米、1 = 3.0时，根据月壤辐射传输模型得到的亮温随1的变化曲线。从图3看出，1越小，对应最大可探测月壤厚度的值就越大。1变化一个量级，造成亮 温的变化可达30K以上。随着1的增大，亮温值迅速增加；但月壤厚度分别为2米和8米时所 对应亮温的差值迅速减小，在10.02时，二者之差接近0。说明最大可探测月壤厚度随1 的增大迅速减小。125130(a)亮温随月壤厚度的变化 (b)亮温随 1 的变化 (a)TB varying with lunar regolith thickness(b)TB varying with

19、 1 图 3 月壤介电常数虚部对模拟结果的影响Fig.3 Influences of 1从图3还可以看出，月壤微波辐射亮温随着介电常数虚部的增加而增大。这说明介电常 数虚部在增大被动微波辐射传输损耗的同时，也增强了月壤发射微波的能量。图4是取1 0.003、1分别为2、3、4时，根据月壤被动微波辐射传输模型得到的月 壤微波辐射亮温随月壤厚度的变化曲线。图4表明，1越小，所对应的亮温值越大，而且其 动态范围也大，在1 = 2时可达6K左右。此时，理论上得到的最大可探测月壤厚度达20.4米。随着1的增加，亮温值迅速减小，最大可探测月壤厚度也减小很大。当与月岩介电常数实部相近时（1 = 4），所得亮

20、温的动态范围小于1K，理论上最大可探测月壤厚度仅为12.9米。135140图 4 月壤介电常数实部对模拟结果的影响Fig.4 Influences of 1图 3 和图 4 表明，月壤介电常数的实部和虚部对月壤微波辐射亮温和月壤厚度信息提取的影响都很大，利用被动微波辐射亮温反演月壤厚度时，必须同时考虑月壤介电常数实部和 虚部的分布特征。2.3界面粗糙度影响模拟界面粗糙度直接决定着界面的有效反射率。在被动微波遥感技术中，Q/H模型是描述裸 露表面有效反射率最常用的模型，适合于各种粗糙表面条件下的有效反射率计算2332。模 拟中，采用Q/H模型研究界面粗糙度参数（Q值）对模拟结果的影响。同时，采用

21、指数型温 度梯度T(z)、1 3.0 + i0.003、2 5.0 + i0.5、x = 0。图5是假定月壤上、下界面的粗糙 度参数（Q值）分别从光滑界面的0变化到极粗糙界面的0.35，根据被动微波辐射传输模型，145就得到月壤厚度分别为2米和8米时，亮温分别随界面1、2粗糙度的变化曲线。150从图5可以看出，随着上界面粗糙度的增加，亮温值变化较大，从光滑界面时的188K左右迅速减小到极粗糙界面时的124K左右；在下界面，亮温值随界面粗糙度的增加而略有增 加，但幅度不大，最大亮温差小于0.2K，远小于我国月球探测器的温度分辨率。因此，月壤 上界面粗糙度对微波辐射亮温的影响较大，研究中必须被考虑

22、，而下界面的粗糙度就可以被 忽略。155图 5 月壤上下界面粗糙度的影响Fig.5 Influences of the surface roughness另外，对不同厚度的月壤，月面粗糙度对微波辐射亮温的影响是相近的。但是，随界面粗糙度的增加，不同月壤厚度所对应亮温值的差呈减小趋势。也就是说，随着界面粗糙度的 增加，最大可探测月壤厚度呈减小趋势。2.4下界面倾角的影响模拟160165图6 下界面倾角的影响Fig.6 Influence of the obliquity of the interface 2在月壤被动微波研究中，还没有考虑下界面倾斜对月表亮温的影响。图6是假定T(z)为 指数型温

23、度梯度、1 3.0 + i0.003、2 5.0 + i0.5、Q = 0时，月壤厚度分别为2米和8米， 根据月壤辐射传输模型得到微波辐射亮温随下界面倾角的变化曲线。图 6 表明，随着下界面倾角的增大，亮温值减小，这与理论结果一致，因为下界面倾斜增大 了月壤下行辐射的路径。但是，当下界面倾度从 0 到 /4，微波辐射亮温值仅改变 0.2K， 远小于微波辐射计的温度分辨率。因此，研究中可以忽略界面 2 倾角的影响，即认为月壤上、 下界面是平行的。3结论170175本文基于辐射传输方程，建立了完整月壤微波辐射传输模型，模拟并探讨月壤温度梯度、介电常数、界面粗糙度及下界面倾斜对月壤被动微波辐射传输的

24、影响。根据模拟结果，建立 考虑月壤温度分布、介电常数和真空月壤界面粗糙的月壤层模型。同时，认为月壤月岩 界面光滑，且与上界面平行。根据模拟结果，改进完善月壤层模型。本研究没有考虑月壤颗粒大小的影响，也没有考虑月壤介质中较大岩块、冰等对月壤微 波辐射的影响。进一步解决这些问题，建立完善、综合的月壤辐射传输模型，是我们下一步 工作的内容。参考文献 (References)1801851901952002052102152201 Li X Y, Wang S J, Chen F, et al. Methods and advances in research on lunar soil thickn

25、essJ. ActaMineralogica Sinica, 2007, 27(1): 64-68.2 Nakamura Y., Dorman J., Duennebier F., et al. Shallow lunar structure determined from the passive seismic experimentJ. The Moon, 1975, 13: 3-15.3 Cooper M R, Kovach R L, Watkins J S. Lunar near surface structureJ. Rev Geophys Space Phys, 1974, 12:2

26、91-308.4 Duenneber F K, Watkins J S, Kovach R L. Results from the lunar surface profiling experimentC. Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference, 1974, 5: 183.5 Strangway D. Geophysics and Lunar Resources, Lunar Bases and Space Activities of the 21st CenturyR.Houston, TX: Lunar and Pla

27、netary Institute, 1985: 265-269.6 Strangway D., Pearce G., Olhoeft G. Magnetic and dielectric properties of lunar samplesC. In KosmochimiyaLuny i Planet, 1975: 712-728.7 Quaide W. L., Oberbeck V. R. Thickness determinations of the lunar surface layer from lunar impact cratersJ. J. Geophys. Res., 196

28、8, 73: 5247-5270.8 Shoemaker E. M., Morris E. C., Batson R. M., et al. Television observations from SurveyorR. In SurveyorProject Final Report. Pt. 2, 1968: 21-136.9 Shoemaker E. M., Batson R. M., Holt H. E., et al. Observations of the lunar regolith and the Earth from the television camera on Surve

29、yor 7J. J. Geophys. Res., 1969, 74: 6081-6119.10 Gault D. E., Quaide W. L., Oberbeck V. R., et al. Lunar 9 photographs: Evidence for a fragmental surfacelayerJ. Science, 1966, 153: 985-988.11 金亚秋, 颜锋华, 梁子长. 微波辐射计对月面特征参数的遥感理论模拟J. 电波科学学报, 2003, 18(5):477-486.12 蓝爱兰. 月球表层媒质的被动遥感机理及厚度反演研究D. 北京: 中国科学院, 2

30、004.13 蓝爱兰, 张升伟. 利用微波辐射计对月壤厚度进行研究J. 遥感技术与应用, 2004, 19(3): 154-158.14 法文哲, 金亚秋. 月球表面多通道辐射亮度温度的模拟与月壤厚度的反演J. 自然科学进展, 2006,16(1): 86-94.15 法文哲, 金亚秋. 光学观测与微波辐射模拟对月壤厚度的反演J. 电波科学学报, 2006, 21(3): 347-356.16 法文哲. 月球微波遥感的理论建模与参数反演D. 上海: 复旦大学博士毕业论文, 2008.17 金亚秋, 法文哲, 徐丰. 月球表面微波主被动遥感的建模模拟与反演J. 遥感技术与应用, 2007, 22

31、(2):129-134.18 Wang Z Z, Li Y, Jiang J S, et al. Microwave transfer models and brightness temperature simulations of MWS for remote sensing lunar surface on CE-1 satelliteC. International conference on microwave and millimeter wave technology, Nanjing, 2008: 1683-168619 Meng Zhiguo, Chen Shengbo, Li

32、cai, et al. Review on Retrieval of Lunar Regolith Thickness by Active andPassive Microwave MeasurementsJ. Global Geology, 2008, 11(2):102-10920 孟治国, 陈圣波, 刘财等. 非均匀月壤介质中的被动微波辐射传输模拟J. 吉林大学学报（地球科学版）, 2008, 38(6): 1070-1074.21 王振占, 李芸, 姜景山, 等. 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J. 中国科学 D 辑: 地球科学,

33、2009, 39(8): 1069-108422 张德海, 张晓辉, 王振占, 等. 嫦娥一号微波探测仪探测月壤厚度机理和地面验证实验J. 中国科学D 辑: 地球科学, 2009, 39(8): 1097-1104.23 Zhang W G, Tang Y X, Wang C, et al. Validation on retrieving land surface parameters using SMMR data inTakelamganC. IEEE, 2004: 3654-3657.24 李芸, 王振占, 姜景山. 月表温度剖面对于嫦娥一号卫星微波探测仪探测亮温影响的模拟研究J. 中

34、国科学 D 辑: 地球科学, 2009, 39(8): 1045-105825 贾阳, 任德鹏, 刘强. 月球表面及月壤内部温度分布特征的数值模拟J. 航天器环境工程, 2007, 24(5):225230235273-277.26 Ulaby F T, Moore R K, Fung A. Microwave remote sensingM. Reading, MA: Addison-Wesley -Longman,198127 Gear A E, Bastin J A. A corrugated model for the lunar surfaceJ. Nature, 1962, 196

35、: 1305.28 Evans J V, Pettengil G H. The scattering behavior of the moon at wavelength of 3.6, 68, and 784 centimetersJ. Journal of Geophysical Research, 1963, 68: 423-447.29 Montgomery C G., Six N F J, Saari J M, Shorthill R W. Directional characteristics of lunar thermal emissionJ. Astrophysics Ast

36、ronautics. 1966.30 Kari L, Hannu K, William M I. Roughness of the lunar soilJ. Earth, Moon, and Planets. 1985, 33(1): 19-29. 31 Shkuratov Y G, Bondarenko N V. Regolith layer thickness mapping of the moon by radar and optical dataJ.Icarus, 2001, 149: 329-338.32 金亚秋. 电磁散射和热辐射的遥感理论M. 北京: 科学出版社, 1998.33 欧阳自远. 月球科学概论M. 北京: 中国宇航出版社, 2005.34 郑永春. 模拟月壤研制与月壤的微波辐射特性研究D. 北京: 中国科学院, 2005.