“嫦娥一号”卫星微波探测仪数据处理模型和月表微波亮温反演方法

"嫦娥一号"卫星(CE-1)微波探测仪(CELMS)是人类第一次在月球轨道上对月球表面进行探测的被动微波遥感器.在发射前,CELMS在实验室进行了大量的关于系统响应参数和定标的试验,但是由于月球轨道条件复杂,特别是一轨之内温度变化很大,使得辐射计的各个部件的温度变化剧烈;冷空定标天线安装位置、月球轨道冷空背景的复杂性,使数据处理变得非常严峻.尤其是在轨两点定标数据的处理,涉及冷空的有效性判别以及通道传输参数随着温度的变化,都需要先验的知识和预先的测量数据作为支撑.而关于月表成分、温度和微波辐射规律存在大量的未知因素,所以给数据处理和分析带来很大的困难.通过对于CELMS地面和在轨数据的分析,结合月表已知的特征参数,详细讨论CELMS在轨定标及亮温处理的实现过程.重点论述了定标的微波辐射传输原理及其参数的试验测试方法,微波亮温的反演算法等内容,并通过与模拟的Apollo点数据的比较确定在轨天线的订正系数.最后对全月的亮温分布及其特点进行了分析,初步结果表明:月表微波亮温包含了丰富的有关月壤特性的信息,尤其是昼夜亮温差异能够较为直接地反映了月壤厚度和表面介电常数的信息.     

月球南极的微波辐射分布与异常

对南极的探测是几乎所有月球卫星探测任务的重点目标之一.其目标意在利用该地的光照资源和可能存在的冰为今后建立月球基地提供条件.利用多层微波辐射传输方程模拟并分析了多种影响因子对月壤微波亮温的影响.使用“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）所获得的观测数据研究了月球南极的微波辐射分布规律.在分析其普遍规律的基础上,研究了具有异常微波辐射特征的地区.月球极地微波亮温呈现规则环状分布,从赤道向两极递减.分析认为,在赤道月壤内温度梯度较大,越向两极月壤内的平均温度梯度越小.随着频率降低,白天夜晚的亮温差也逐渐降低.据此制作了两极月球亮温分布图.研究发现,微波亮温的变化在南纬85°以后逐渐与高程变化同步.这一现象与太阳照射月球的角度有关,并指示了南极月壤温度的冷热分布.所提取出的异常冷点分布是永久阴影区的搜索方向,异常热点则标志着该地有丰富的热量资源.     

“嫦娥一号”微波探测仪探测月壤厚度机理和地面验证实验

“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）是国际上首次在月球轨道直接测量月球亮温的被动微波遥感器,其科学目标是反演月壤厚度的信息并对月球的3He资源量和分布进行评估.介绍了月壤厚度探测机理,建立了亮度温度随月壤厚度变化的理论模型,利用地面验证实验对探测机理和辐射传输模型进行了初步验证.     

基于Diviner红外亮温数据的月球赤道地区温度廓线模拟

以Diviner红外亮温数据为基础,结合半有限固体的热传导模型,模拟了月壤温度廓线并分析了影响月壤温度廓线的三种因素,为"嫦娥"卫星微波探测仪数据稳定性分析提供可靠依据.利用Diviner通道7红外亮温反演月表温度,代替月表辐射热平衡模型求解月表温度的过程,减少了由于辐射热平衡模型中月表太阳辐照度理想假设引起的误差.通过月壤逐层迭代10000次月球昼夜周期,月球赤道地区6.0 m深月壤底面温度趋于246 K,与以表面辐射热平衡为条件的底面温度模拟值250 K近似.基于Diviner实测数据的月表温度与辐射热平衡模型模拟月表温度对比结果为:赤道地区Diviner实测表面温度比模拟值差异主要分布在月球白天,在受月表地形起伏影响较大的月球昼夜交替的时间段更为显著,约50 K;在月球夜晚,两者差异约2 K.利用Diviner数据与热传导模型模拟得到的月壤温度廓线可当作月壤温度廓线的真实值,作为进一步分析"嫦娥一号/二号"微波探测仪数据的依据.     

月球吕姆克地区微波辐射特性及月壤参数反演研究

嫦娥五号月球探测器预计将在月球风暴洋北部的吕姆克地区着陆并实施钻探采样.为辅助确定采样点,本文基于嫦娥微波探测仪数据首先对该区域的昼夜微波辐射特性进行了分析,然后对月壤介电常数和厚度进行了反演.由微波亮温图可知:昼夜亮温随频率的变化规律不同,白天37GHz亮温最高,黑夜19.35GHz亮温最高;三个高频通道的昼夜亮温分布不同,尤其在南部;吕姆克E区域白天亮温较高,黑夜亮温较低,昼夜温差较大.月壤参数的反演结果表明介电常数西、北部低,中、东部高,吕姆克E附近区域值最大;西北部月壤厚度大于6m,其他绝大部分区域不超4m,吕姆克E区域月壤最薄,约2.5m.考虑卫星的平稳着陆及钻孔采样,建议着陆区选在月壤较厚的西北部,并避开吕姆克E区域.     

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

CELMS是世界上首次从月球轨道对月表进行探测的被动微波遥感器,其探测的亮温是表面物理化学特性的直接反映,包含了表面温度、介电常数、月壤厚度以及表面地形等的综合信息.通过对微波辐射亮温特性的研究,能够建立这些物理化学特征参数与亮温的关系,从而达到对壳温的直接反演.结果表明,月壤厚度的分布范围多数在4～6m,5m以上的厚度区域占全月的43%以上.其次,利用CELMS所获得的亮温反演得出全月月壤表面介电常数和月壤厚度,根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,计算了全月3He丰度分布.利用微波辐射计探测的月壤厚度数据对全月3He资源量进行了估算,估算出全月3He资源量约为103万吨.     

月壤^3He资源估算及相关参量分析

3He元素作为核燃料对于解决人类的能源危机同时保护自然环境有着非常重要的意义.月壤蕴藏着丰富和易于提取的3He资源.本文系统阐述了不同学者在月壤^3He含量影响因素上的不同观点,对几个代表性学者月壤^3He储量的估算和采用的方法进行了分析对比,对涉及月壤3He含量变化和储量估算的有关问题进行了详细探讨并得出结论：^3He含量在月壤至少几米的深度内可视作是均匀分布的,不随深度的变化而变化;月壤内通过价键与矿物结合的3He基本上一直处于饱和状态,月表温度的变化和太阳风通量对其含量影响很小.在此基础上,利用“嫦娥一号”微波探测仪辐射量温反演的月壤厚度对月壤的3He储量进行了新的估算.     

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

月球表层的温度剖面是月球表面微波遥感的一个重要参数.利用从Apollo,Luna等登月试验带回的样品得到的有关月表物质物理特性的知识,通过求解热传导方程,分析了月面表层温度的时间和空间的变化规律,模拟产生了全月的600cm温度分布结果.结果表明：月球表层温度剖面的变化绝大部分集中在表层20cm的范围,除了在两极地区,温度的昼夜变化波及到约1m深度,大于这个深度温度基本上稳定不变.温度的波动很大程度上导致了“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）的不同通道亮温的变化.本文的研究结果证明了温度剖面对于CELMS亮温的影响,从另外一个角度证明了CELMS测量数据的正确性,为遥感数据的解译和科学目标的反演提供了依据.     

基于月球实时加权平均辐射亮度温度的星载毫米波湿度仪的定标

太空环境的变化会给在轨运行的星载有效载荷定标造成一定的不确定性,因此需要一个长期稳定可靠的定标辐射源. 2005年,美国NOAA-18卫星搭载了多类微波辐射有效载荷,其中包括工作在毫米波频段的微波湿度仪(MHS).卫星在轨运行中,对冷空观测时MHS的深空视野(deep space view, DSV)有时会观测到月球.由于没有大气与多变的环境影响,稳定的月表面微波辐射是一个可利用的定标辐射源.文章用实时的太阳辐射强度和日下点位置,基于月球勘测轨道飞行器LRO Diviner红外辐射亮温数据反演的热物性参数,由一维热传导方程计算月球正面的月壤温度廓线;结合"嫦娥二号"微波辐射亮温数据反演得到的月壤层正切损耗,用辐射传输积分方程仿真计算了2011年内89、157、183GHz频段月球正面的加权平均辐射亮温.将月球视为一个圆盘目标,而非一个点目标,用仿真的月球正面辐射亮温来修正拟合深空视野中实际的辐射强度半峰全宽(full width at half maximum,FWHM).仿真分析了卫星与月球的距离、月相、辐射计的FWHM对数据拟合的影响,将修正后的辐射亮温数据与仿真结果进行比较.文章提出了月球正面实时的加权平均辐射亮温模型,为在轨气象卫星微波辐射计的在轨定标技术提供了一个新设计方案.     

利用shearlet变换对探月雷达数据进行月壤结构的重建

探月雷达作为嫦娥三号和嫦娥四号月球探测任务中最重要的科学载荷之一,其目标是探测月壤及地下结构信息.然而,嫦娥三号探月雷达的第二通道数据受到横向杂波的干扰,使得有用的反射信息被掩盖.这些杂波可以认为是影响数据质量的横向噪声,使得探月雷达数据信噪比低,影响数据解释.本文将利用shearlet变换对探月雷达数据进行信号分析与噪声去除,并对嫦娥三号着陆区的月壤结构进行重建.首先,在shearlet域中,观察横向噪声的分布,并分离出以噪声为主的shearlet分量,并得到重建后的雷达数据.随后,为充分利用嫦娥三号第二通道两套数据的整体优势,对两套经过shearlet变换去噪后的雷达数据进行融合,得到综合探月雷达图像,有效得去除了水平噪声并增强了来自浅月表的有效信号.最后,根据探月雷达处理结果对嫦娥三号着陆点的月壤结构进行重建,重建结构中的溅射物厚度与撞击坑溅射物经验公式结果得到了相互印证.     

月球表面月壤中~3He含量分布的定量估算

太阳风注入月球表面月壤层的3He是一种可供人类使用的潜在月球资源.月壤中3He含量主要与太阳风通量、月壤成熟度以及月壤中TiO2含量等主要因素有关.根据受地球磁尾影响的太阳风通量模型,给出了月球表面太阳风通量随经纬度的分布.根据Clementine(克莱门汀)的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤光学成熟度(OMAT,Optical Maturity)以及月壤中TiO2含量的分布.在此基础之上,根据Apollo(阿波罗)月壤样品的测量结果,给出月壤表层3He含量与月表归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间的关系,并由此计算了整个月球表面月壤表层3He含量的分布.根据Apollo测量数据,以月球表面数字高程经验性构造的月壤厚度为例,给出了月球表面整个月壤层单位面积内3He含量分布,并估算了整个月球表面月壤层所蕴含的3He的总量.     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

基于星载被动微波遥感的青藏高原湖冰物候监测方法

湖冰物候影响着区域及全球气候,是全球变化的敏感因子,青藏高原湖泊众多,冻融现场监测数据缺乏,而微波具有对冰水相变敏感、时间分辨率高、历史存档数据长等特点,这对于长时间序列湖冰物候研究具有重要意义.然而,被动微波遥感空间分辨率低、湖泊亮温的精准定位难.论文通过获取AMSR-E/Aqua和AMSR-2/Gcom-W1的亮温数据,构建了基于轨道亮温数据的阈值判别法,通过对青藏高原不同区域和不同大小的青海湖、色林错、哈拉湖以及阿其克库勒湖进行测试研究:与青海湖现场观测对比,湖泊完全冻结日期与开始融化日期最大误差小于3天;与无云光学遥感判别结果相比,4个湖泊的冻融参数误差为2~4天.结果表明,被动微波轨道亮温数据可实现青藏高原地区亚像元级中大型湖泊冻融信息的获取,历史卫星资料可为湖冰物候的监测提供重要的支撑.     

利用CryoSat-2波形数据建立南极Lambert冰川流域DEM

Lambert冰川-Amery冰架系统是南极冰盖最大的冰流系统之一,对南极冰盖物质平衡研究有着重要的作用.数字高程模型(DEM)是进行南极冰盖研究的基础.本文基于CryoSat-2 L1b波形数据,研究建立了Lambert冰川流域高分辨率DEM.测高卫星返回波形在冰盖区域存在变形,需进行波形重跟踪处理.利用交叉点分析方法对重心偏移法(OCOG)、阈值法和β参数法等常用的波形重跟踪方法对不同类型的CryoSat-2波形的适用性进行了研究.最后,利用克里金插值方法建立了500 m分辨率的Lambert冰川流域DEM——LAS DEM (Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system DEM).利用ICESat卫星测高数据和GPS地面实测数据对LAS DEM进行精度验证,并与另外两种基于CryoSat-2数据的南极DEM进行了对比.结果表明:LAS DEM的整体精度约为0.295±2.7 m,优于另外两种CryoSat-2 DEM;在冰盖内陆地区,LAS DEM的高程误差在2 m之内;在Amery冰架上,LAS DEM的精度优于1 m.     

基于DORIS数据的JASON-2卫星精密定轨分析

高精度的卫星轨道确定是卫星应用的基础和保证,本文以新一代DORIS接收机观测数据DORIS 3.0的相位观测数据为基础,研究了相位观测数据与传统的DORIS距离变化率数据的转换方法,并以JASON-2卫星为例,基于卫星动力学定轨原理,分析了不同数据类型、不同定轨方案得到的卫星轨道精度.结果表明,1)利用3天弧段的DORIS 2.2格式距离变化率数据和数据文件提供的相位中心偏差改正,或者采用模型对天线相位中心偏差进行改正并同时对地面测站进行偏心改正时,两种方案得到的轨道三维位置精度基本一致,均优于8.7cm,说明新一代DORIS接收机相位中心稳定,变化较小,采用模型进行偏差修正完全能够满足定轨精度要求.2)采用3.0格式的DORIS数据以及天线相位中心偏差修正模型和地面测站偏心改正模型时,得到的卫星定轨精度略有降低,大约为9.2cm;SLR校核残差约为6.5cm(均方根误差).3)采用2.2和3.0两种格式的DORIS数据,利用不同的定轨方案对JASON-2卫星进行精密定轨,均可以达到2cm左右的径向定轨精度,不同的定轨方案对径向定轨精度的影响可忽略不计.因此,对于最关心卫星径向定轨精度的海洋测高卫星而言,采用本文的数据格式转换方法和定轨方案,完全可以满足其定轨任务需求.     

基于贝叶斯方法的深层充电效应风险模型评估

高能电子穿透航天器并在其内部沉积电荷从而引发深层充电效应,是导致卫星故障的重要因素之一.为了评估深层充电效应诱发卫星异常的风险,本文基于贝叶斯方法,使用一颗地球同步轨道卫星的异常数据和GOES-8卫星的电子通量探测数据,计算了不同能量阈值及累积时间的电子注量、不同卫星配置下模拟仿真的沉积电荷,并分别与卫星异常建立一系列概率风险模型.本文从模型中随机抽样得到模拟异常,并与实测异常构造混淆矩阵以评估模型拟合优度,结果表明1.0MeV电子3日累积注量-卫星异常概率风险模型为该卫星最优模型.本文利用最优模型对该卫星深层充电效应风险进行了计算,在1.0MeV电子3日累积注量达到2.0×10~(10)cm~(-2)·sr~(-1)时,该卫星发生深层充电异常的平均后验概率为27%,且95%最小可信值为22%.根据最优模型,我们对该卫星最可能导致异常的部件的材料和结构等特征做出了推断.     

月球表面月壤中^3He含量分布的定量估算

太阳风注入月球表面月壤层的^3He是一种可供人类使用的潜在月球资源。月壤中^3He含量主要与太阳风通量、月壤成熟度以及月壤中TiO2含量等主要因素有关卉艮据受地球磁尾影响的太阳风通量模型,给出了月球表面太阳风通量随经纬度的分布。根据Clementine（克莱门汀）的紫外。可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤光学成熟度（OMAT,Optical Maturity）以及月壤中Ti02含量的分布。在此基础之上,根据Apollo（阿波罗）月壤样品的测量结果,给出月壤表层^3He含量与月表归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间的关系,并由此计算了整个月球表面月壤表层^3He含量的分布。根据Apollo测量数据,以月球表面数字高程经验性构造的月壤厚度为例,给出了月球表面整个月壤层单位面积内^3He含量分布,并估算了整个月球表面月壤层所蕴含的^3He的总量。     

基于广义RI指数的微波观测资料干扰识别方法

基于AMSR2(the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)一级亮温数据,提出了广义RI指数(Radio Frequency Interference Index)识别方法来检测无积雪覆盖陆地和洋面区域AMSR2 7.3 GHz通道受RFI(Radio Frequency Interference)影响的观测数据,进而用主成分分析法以及谱差法的检测结果进行验证,并分析了三种方法检测结果间的差异.结果表明:广义RI指数识别方法的检测出的RFI和其他两种方法的检测结果基本一致,这表明新算法对识别陆地和洋面上的RFI是有效的.但这三种检测方法的区别是,主成分分析法识别的RFI信号比其他两种方法确定的范围小、数量少,谱差法次之,广义RI指数检测方法检测出的RFI信号最多.本研究为评估不同识别算法提供了参考,还为进行卫星遥感技术微波频段保护提供了理论依据.     

基于光学与被动微波遥感的青藏高原地区土壤水分反演

青藏高原地区高精度的土壤水分反演对高原能水循环、全球大气循环研究有着极大的影响.因此,获取青藏高原土壤水分时空布信息是一个迫切需要解决的问题.温度植被干旱指数(TVDI),是基于光学与热红外遥感通道数据反演土壤水分的重要方法,但在研究区域较大、地表覆盖格局差异显著时,TVDI模型反演精度会受到地表温度(Ts)等因素的影响.被动微波AMSR-E数据精确记录了像元内的土壤水分信息,但空间分辨率低.本文利用同时期的MODIS与被动微波数据,发展了针对青藏高原地区高精度土壤水分反演算法.首先,在TVDI模型中,利用修正型土壤调整植被指数(MSAVI)代替归一化植被指数(NDVI),以改进NDVI易饱和的缺点;其次,利用ASTER GDEM数据,对地形高程和纬度差异引起的地表温度变化进行了校正;然后,通过神经网络训练建立基于TVDI、被动微波以及辅助气象数据的土壤水分反演模型,并应用该模型反演了青藏高原地区三个观测网(CAMP/Tibet、玛曲和那曲)的土壤水分;最后,利用实测土壤水分数据对反演结果进行验证,结果表明该模型的精度均方根误差(RMSE)数值可达到0.031~0.041 m~3·m~(-3).本文还应用该算法反演了青藏高原连续的土壤水分的空间分布,并比较了土壤水分的变化趋势与实测降水变化趋势,结果表明二者变化量的正负关系一致.