Review on physical models of lunar brightness temperature

Brightness temperature is a main index to reflect the energy of microwave radiation of an object. Using lunar brightness temperature data, physical properties of lunar regolith, such as thickness, heat flow and dielectric permittivity, could be interpreted. There are two methods to study brightness temperature distribution of the moon: the first is used to measure lunar brightness temperature by radio observation or spaceborne microwave radiometers, and the second is used to simulate calculation by the physical model. On the basis of the measurements of lunar brightness temperature in the history, this study analyzed the main physical model of lunar brightness temperature, also including its theory and influence factors. The authors concluded that surface and subsurface temperatures of the moon, dielectric properties and layered structure of lunar regolith were the main factors affecting the global brightness temperature of the moon. These factors should be quantified in detail in the future research.     

月壤及模拟月壤微观结构的研究

为了对比研究月壤与模拟月壤的微观结构,介绍了月壤的形成作用过程和5种基本颗粒类型;通过真实月壤照片,对月壤微观结构进行了分析;利用火山灰为模拟月壤主体材料,对其成分进行了检测;对模拟月壤的火山灰颗粒进行了显微图像分析试验。结果表明,月壤存在胶结物微观颗粒,胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡,并且有金属铁珠存在;火山灰所含的主要成分及含量与月壤相似,经过粉碎的火山灰试样棱角较为明显,其纵横比峰值略小,稍显长条状,但与月壤比较相近,而复杂度因子则略有欠缺,说明颗粒还不够粗糙和多棱     

月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。     

冻融交替季节黑河上游代表性地物类型的微波辐射时序特征

被动微波遥感是监测全球土壤冻融的有利手段,然而由于缺乏实验观测数据,对冻土的微波辐射特征和机理并不是很清楚.2008年3月利用地基微波辐射计(RPG-8CH-DP Radiometer)在黑河流域上游对典型地物18.7 GHz和36.5 GHz的微波辐射进行了连续观测,获取了3种典型土地类型的冻融过程中两个频率双极化的微波辐射特征,计算了土壤冻融过程中发射率和亮温梯度的时序特征并进行了分析.结果表明:土壤冻结会引起土壤发射率的变化,变化的大小主要受土壤表层很薄一层土壤的含水量影响,这是因为这两个波段对土壤的微波穿透深度很小,另外,尽管土壤冻结后亮温梯度会降低,但大多数情况下并没有观测剑冻土负的亮温梯度.     

基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月壤介电常数

月壤介电常数是当前月球微波遥感探测的基础, 是月壤厚度、成分等信息提取不可或缺的参数.为了实现全月介电常数反演, 通过对嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据进行时角校正, 得到同一时角的全月微波亮温图.全月微波亮温表现出随月球地形、月壤成分及纬度变化的特征.基于校正后的微波辐射亮温, 结合辐射传输模型, 通过解算相关参数, 反演得到3GHz频率下全月介电常数分布.其中, 月海地区的介电常数实部高于月陆地区, 且月球极地区域介电常数实部偏低; 而介电常数虚部则在月海区域和艾肯盆地较高.通过模拟月表介电常数实验对反演结果进行温度校正, 得到22℃下全月介电常数.将反演结果和月壤真实样品的介电常数测量值进行比较评价.结果表明介电常数实部相对误差都低于11%;虚部相对误差偏大, 但其差值最大仅为0.02.因此, 基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月表介电常数的方法是可行的.      

TJ-1模拟月壤承载特性的现场试验研究

采用TJ-1模拟月壤作为试验材料,通过静力触探、静载荷试验的对比分析,探讨适合月壤承载力计算的经验公式,以期为未来载人登月时宇航员和着陆器登陆可能涉及到有关月面承载能力的问题提供必要的参考。首先,使用近255 t TJ-1模拟月壤人工制备出13 m×12 m×1.2 m试验用地基,后在试验地基均匀布置6个静力触探测点和2个静载荷试验测点进行测试。针对太沙基承载力计算半经验公式以及规范和国内外学者提出的12个适合中密实砂土静力触探承载力计算的经验公式,对试验结果进行探讨。发现直接运用太沙基提出的半经验公式计算月壤承载力结果明显偏小,而由联合试验小组提出的经验公式 能够用来近似计算月壤地基承载力。计算结果表明,该经验公式在计算承载力时能够与静载荷试验值较好的吻合。     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

含水率和颗粒级配对TJ-1模拟月壤力学性能影响的试验研究

月球探测2期工程中,需在地球上进行探测器软着陆过程及月面巡视探测的模拟试验,上述试验中月壤特性的模拟至关重要。通过试验研制出了适用于上述试验的Tongji-1（简称TJ-1）模拟月壤。但2期工程中可能需用到近千吨的模拟月壤,由于客观条件限制,难以满足含水率为0%、颗粒级配与目标级配完全吻合的技术要求。为此,开展了含水率及颗粒级配对TJ-1模拟月壤力学性能影响的试验研究。根据TJ-1模拟月壤在不同含水率时的力学试验结果,建立了强度参数与含水率的关系式,建议含水率上限值为3%,并通过TJ-1模拟月壤不同颗粒级配曲线下的力学性能测试,得到了级配变化的许可范围。     

模拟月壤地面力学性质试验研究

掌握与月球车行驶相关的月壤力学性质是我国月球车研制所急需的。在制备了用于月面车辆力学试验用的模拟月壤基础上,通过三轴试验得出模拟月壤的弹性模量为48.8 MPa;通过硬度测量可知,模拟月壤的硬度小于黑壤土,与石英砂接近;通过压板试验可得模拟月壤的变形指数n为1.13,变形模量K为1 056 kN/mn+2,分析可知,随着变形模量和变形指数的增大,其承压能力增大;通过履带板试验可得模拟月壤剪切变形模量k为1.2 cm,分析可知,剪切破坏模量的增大对剪切强度的影响不大,但会使剪切破坏的峰值向后移动;另外,随着内摩擦角? 和黏聚力c的增加,剪切破坏强度增大。以上研究结果可为月球车行走机构优化设计和通过性能评估提供参考和依据。     

基于Hapke辐射传输模型的月壤光谱模拟

由于月球采样点较少,月壤真实数据稀缺,限制了对月球科学问题的进一步研究。较全面系统地采集月壤样品在近期很难完成,开展月壤光谱模拟工作是月壤实测光谱的必要有益补充,可以为研究月壤光谱特征提供大量数据。基于Hapke模型,我们选取RELAB光谱库的斜长石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石、单质铁、钛铁矿、火山玻璃、熔融玻璃等典型月壤矿物,运用牛顿插值和最小二乘优化的方法,模拟了LSCC月壤数据的一定粒径、单质铁含量、观测条件及矿物混合比例下的混合光谱。模拟光谱与实测光谱拟合较好,相关系数均大于0.99,均方根误差在10-3数量级;模拟矿物丰度与实测矿物丰度基本一致;模拟SMFe含量与相对成熟度指数Is/FeO线性关系明显;模拟粒径基本落在实测粒径组范围内。最后,文中讨论了光谱吸收中心波长、吸收面积等光谱特征参数的模拟精度,以及高精度模拟光谱时光学常数的计算方法。     

土质对人工冻土冻结温度影响的试验研究

不同土质的冻结温度是人工冻结法冻结壁设计重要依据。为研究土质对人工冻土冻结温度的影响,选取不同地区人工冻结法施工典型土层开展冻结温度试验,提供了不同地区典型土层的冻结温度范围,并结合水泥土、含盐土冻结温度试验进行对比分析。结果表明：同一地区不同土层的冻结温度随其土颗粒粒径的增大而增大;随水泥掺入比及龄期的增加,水泥土的冻结温度降低;随含盐量的增加,NaCl含盐土冻结温度线性降低,含盐量对氯盐土比对硫酸盐土的冻结温度影响更显著。研究成果对不同土性的冻结壁设计具有指导意义。     

Quantification of the chemical composition of lunar soil in terms of its reflectance spectra by PCA and SVM

In the second phase of the Chang’E Program an unmanned lunar rover will be launched onto the Moon. When ground scientists get a full understanding of the chemical composition of lunar soil around the rover, they can make more detailed survey plans for the rover and various payloads onboard so as to satisfy their scientific objectives. There is an obvious relationship between the reflectance of lunar soil and its chemical characteristics. Both principal component analysis (PCA) and support vector machine (SVM) models were applied to establishing the relationship between the reflectance spectra and chemical compositions of lunar highland and mare soil samples sent back by Apollo missions 11, 12, 14, 15, 16 and 17 and measured by Lunar Soil Characterization Consortium (LSCC). PCA was used to reduce and select the features of the reflectance spectra of lunar soil samples. Then, these features were put into SVM to estimate the abundances of various chemical components in lunar soil. We also compared the results of our measurement with those obtained by the SVM model [partial least squares (PLS)] and the principal component regression (PCR) model reported in literature. Our studies showed that with the exception of TiO₂, the results of prediction of the abundances of chemical compounds in lunar soil by our model are much more reliable than those reported in literature. The reflectance spectra of lunar soil are closely related to the materials from which it was derived.     

模拟月壤中着陆器足垫滑移受力的试验研究

月面着陆器着陆过程中巨大的冲击作用会影响着陆安全和精密仪器的正常工作,因此,研究着陆器足垫与月壤相互作用对着陆器软着陆具有重要意义。足垫的水平滑移是着陆过程中较为复杂的阶段,利用自行研制的水平拖曳模型试验装置,在模拟月壤中开展足垫水平滑移的模型试验,研究滑移过程中足垫水平力和竖向轴力的变化,并进一步探讨模拟月壤的相对密实度、足垫的水平速度、刺入深度和转动角度等4个因素对足垫水平力和竖向轴力的影响。试验结果表明：足垫所受到的水平力与竖向轴力呈近似线性关系,当足垫受较大的水平力时,相应的竖向轴力也较大;足垫受力随相对密实度、水平速度和刺入深度的增加而增大;足垫的转动角度对其受力影响显著,当足垫的转动角度为(8°, 26°)时,足垫所受到的竖向轴力和水平力最小,当转动角度为(0°, -26°)时,足垫的受力最大,在滑移过程中该角度姿态利于着陆器的缓冲机构对能量的耗散。     

简化接触模型的月壤离散元数值分析

根据月壤其颗粒级配可归类于粉质砂土。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）,将Perko等2001年提出的月壤颗粒间的范德华力植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了刚性边界下加入该模型与未加该模型试样的双轴压缩试验,研究了颗粒间范德华力对试样的宏观力学特性与微观颗粒接触的影响。结果表明,颗粒间的范德华力对试样的抗剪强度、体应变以及颗粒平均配位数都有显著的影响     

嫦娥二号卫星微波探测仪数据定标和处理结果

介绍了嫦娥二号(CE-2)与嫦娥一号(CE-1)搭载的微波探测仪(microwave radiometer, MRM)的不同之处, 给出其亮度温度的算法和地面定标系数, 并得到CE-2 MRM获得的全月亮度温度分布图.分析了亮温的数据规律, 并以此为基础归一化后比较了二者之间的数据差异.最后比较了不同取值的非线性系数对CE-2 MRM亮温定标结果产生的影响.结果表明: 目前CE-2 MRM数据在3GHz、19.35GHz和37GHz频率符合地基观测结果的范围, 同CE-1 MRM结果相比在月球低纬度地区(≤50°)差异在11K以内, 差异的主要原因是CE-2定标方法的改进以及定标方程中非线性项的引入, 而7.8GHz通道的数据异常表明该通道存在系统误差.      

TJ-1模拟月壤承载特性室内试验研究

本研究自行设计加工了一套可以实现位移速率控制的加载装置,采用TJ-1模拟月壤为地基材料,把着陆器足垫作为基础进行了位移速率控制条件下的载荷模型试验,并采用了3种不同方法计算足垫基底的平均应力。通过对试验结果的分析对比得出以下主要结论：足垫的地基承载力和变形模量随加载速率大致呈线性增加,按足垫与地基的实际接触面积计算的极限承载力稍大于按足垫最大上口面积计算得到的地基承载力。考虑到安全储备建议采用按最大上口面积计算所得地基承载力。足垫基础下按实际接触面积计算得到的变形模量介于按足垫最小底面和最大上口面面积计算的结果之间。     

基于Apollo15月壤和普通球粒与碳质球粒陨石模拟实验的太空风化特征产物成因分析

月球、小行星等无大气行星体具有独特的反射光谱太空风化改造特征,其成因主要被归结于纳米级—亚微米级不透明颗粒等太空风化特征产物.本研究结合Apollo 返回月壤样品、普通球粒和碳质球粒陨石样品的模拟实验结果,综合分析了太空风化特征产物的来源和成因,并讨论了其可能的光谱效应.研究结果表明,np-Fe0 (纳米级单质金属铁)...     

利用MODIS和AMSR-E进行积雪制图的比较分析

MODIS和被动微波辐射计AMSR-E提供了识别积雪的不同方法.MODIS首先计算反映积雪在1.6μm强吸收特性的归一化差值积雪指数NDSI,在剔除卷云的影响后,得到MODIS积雪分布.AMSR-E则根据积雪在微波波段的差异性散射特性识别积雪.通过案例分析比较了MODIS和AMSR-E积雪分布,发现由于云的遮蔽使MODIS积雪分布面积会比实际小,但由于MODIS的空间分辨率很高,得到的积雪边界线轮廓清晰.而微波由于不受云的影响,得到的AMSR-E积雪分布比较符合实际,但积雪的边界线较粗.     

温度对土壤介电常数的影响规律研究北大核心CSCD

介电常数是频域反射法测定土样含水率的关键参数之一。为获取温度对土壤介电常数的影响规律,利用矢量网络分析仪测得不同含水率、含盐量的试样在不同试验温度下的介电常数。通过分析土样介电常数随不同因素的变化规律,最后建立了介电常数与温度的关系。结果表明:温度对土样介电常数的影响主要表现在冰水剧烈相变阶段。当温度低于某一温度或者高于冻结温度后,介电常数受温度的影响较小。负温条件下,土样介电常数随含盐量增大而增大。引入阶梯函数建立的三阶段模型,可有效描述土样介电常数随温度的变化规律。     

月壤双轴试验的剪切带离散元数值分析

土体的破坏问题一般都是从其剪切带入手进行研究的。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）和内摩擦角较大的特点,采用最近提出的1种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力2个因素的月壤散粒体力学接触模型,用离散单元法模拟了柔性边界条件下月球环境（含范德华力）与地球环境（不含范德华力）2种试样的双轴压缩试验,通过试样局部变形、速度场、孔隙比及转动场的变化情况研究了2种试样剪切带形成与发展。研究结果表明,剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果,同时也伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化,月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有显著的影响,探月工程中必须考虑到月面环境对月壤力学性质的影响。