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.     

“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.     

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”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.     

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.     

在嫦娥一号探月工程中求定月球重力场

月球重力场制约着近月外空间物体的运动,同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用. 本文结合我国嫦娥一号探月工程,探讨了利用月球卫星的地面跟踪资料,求定月球重力场的基本理论和方法,分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对求定月球重力场的影响. 若单独利用我国嫦娥一号探月工程的地面跟踪数据,恢复30阶次左右的月球重力场模型是一个比较实际的目标. 地面跟踪最好能以75s的时间间隔进行采样,数据连续提供时间应不少于30个昼夜,月球卫星星下点的月面轨迹间距不大于110km.     

月球南极Shoemaker撞击坑微波和红外亮温特征分析

通过分析月球南极永久阴影区中Shoemaker撞击坑微波和红外亮温特征,发现Shoemaker永久阴影区微波和红外亮温随时间变化趋势不一致的现象,为了解释这一现象,建立了辐射传输模型,仿真的结果与实测值接近,说明我们的模型是合理的,可以解释这一现象.     

受载煤体变形破裂微波辐射前兆规律的实验研究

对煤体在单轴压缩条件下的微波辐射效应和规律进行了实验研究.实验结果表明,受载煤体具有微波辐射效应,在煤体的变形破裂过程中伴随有6.6 GHz微波辐射信号产生,其前兆规律具有3种类型.基于电介质物理学对实验现象进行了解释.在单轴压缩实验中,煤体的亮温最大变化值为1.9～2.7K,这表明煤体的微波辐射特性明显优于红外辐射特...     

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.     

风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星(FY-3C)已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪(MWHTS)已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89~191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据:冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法:1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM(Monochromatic Radiative Transfer Model)模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO(simultaneous nadir overpass)技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为:观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS(Global Data Assimilation System)数据,利用快速辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果(O)和仪器实际观测的亮温(B)之间的差异记为"O-B",对偏差值"O-B"进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对"O-B"产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言(如118.75GHz通道),由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到"O-B"偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即"O-B"进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6"O-B"标准差小于0.5K,其他通道"O-B"标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7~13和15观测结果对角度有一定依赖性.     

嫦娥一号图像数据处理与全月球影像制图

“中国首次月球探测工程全月球影像图”是我国第一幅覆盖月球的遥感影像图, 将成为嫦娥工程后期探测和月球科学研究的重要基础图件. 详细介绍了嫦娥一号CCD图像数据的获取、数据特点和数据质量, 描述了图像数据的处理方法和流程, 按制图规范对图像数据进行了镶嵌拼接和处理, 制作了覆盖全月球的1:250万比例尺影像图, 并进行了影像图的定位精度分析. 数据处理和制图结果表明, 嫦娥一号CCD数据及其定位精度能够满足1:250万比例尺的制图要求, 制作的“中国首次月球探测工程全月球影像图”, 其相对定位精度优于240 m, 平面定位精度约为100 m~1.5 km, 定位精度略好于2005联合控制网(ULCN2005)和克莱门汀基础地图(2.0版); 对所有像元进行了逐一光度校正, 大大改善了全球图像的一致性, 是目前覆盖最全、图像质量最好、定位精度最高的全月球影像图.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

月球探测及月球重力场的确定

针对近年月球探测渐成热点和我国即将发射“嫦娥卫星”的状况,本文首先归纳了月球各项几何与物理特性以及月球探测的经济、科学和战略意义.然后,讨论了月球重力场在探月中的作用,并对国外月球重力场研究的发展历程、主要方法及面临的困难进行了综述.最后,结合我国“嫦娥工程”,对我国月球重力场探测的可行性,从航天运载能力、轨道跟踪手段、重力场恢复技术以及方法创新等方面进行了分析,以期为我国自主确定月球重力场模型提供参考依据.     

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.     

基于"嫦娥一号"跟踪数据的月球重力场模型CEGM-01

本文介绍了"嫦娥一号"月球探测卫星轨道跟踪数据的特征,简要阐述了基于动力法精密定轨解算月球重力场模型的原理及策略.在"嫦娥一号"测控数据精度和覆盖均有限的条件下,独立使用"嫦娥一号"月球探测器6个月的在轨运行双程测距测速跟踪数据,成功得到了50阶次月球重力场模型CEGM-01.通过多种方式,如重力场模型频谱特性、实测数据定轨残差、月球重力异常特征、与地形的相关性及导纳值,对解算得到的CEGM-01月球重力场模型进行了精度评价,分析了相应的物理特性和效果.结果表明了CEGM-01解算过程的有效合理.在此基础上展望了我国月球重力场探测未来可能的发展方向.     

地震前卫星遥感微波辐射异常统计分析:以堪察加半岛为例

岩石加载实验证实受载岩体能够产生特定频段的微波辐射能量增强,卫星遥感数据分析也表明,个别震例强震前可能存在微波辐射异常,这一重要发现亟待普遍性检验与统计特征研究. 本文收集了俄罗斯堪察加半岛2003—2011年Aqua AMSR-E 的微波辐射亮温数据,并对地震和火山活动信息进行了统计,进而利用改进后的异常识别方法及构建的背景场对9年内多次强震的震前短临异常的位置和时间信息进行了检测与统计. 结果表明:① 勘察加半岛平均亮温变化存在明显的季节特征,1—4月和11—12月为平稳期、5—10月为剧变期,平稳期的亮温曲线基本保持平稳,而剧变期呈抛物线型,自4月起持续增温至7月,随后持续降温至11月;② 受地形地貌影响,半岛南部和东南部亮温较高,中西部亮温较低;③ 火山点亮温小于地震点和非地震点,火山活动对亮温影响有限;④ 使用四分位数法判断辐射异常检测指数,发现17次地震中有13次可以识别到震前异常,其中M_S≥6.0地震均可检测到异常,且异常发生在地震前1个月以内.      

基于FY-3C微波成像仪的沙漠地表发射率反演

地表发射率是地表的固有属性,也是反演地表信息和大气温湿度廓线的重要参数.为了获取准确且具有具体物理含义的沙漠地区微波地表发射率,首先选取塔克拉玛干沙漠部分地区为反演区域,根据二元函数泰勒定理,推导了该地区的微波地表发射率与地表温度、地表湿度的线性、非线性函数关系.其次,利用最优控制原理,结合FY-3C微波成像仪的观测亮温资料与辐射传输模式(CRTM)模拟亮温数据,构建了沙漠地区微波地表发射率的线性与非线性反演模型.通过对比发现,利用线性和非线性反演模型得到的地表发射率不仅提高了反演区域亮温的模拟精度,而且模拟亮温的变化趋势也与观测更吻合.最后,对地表发射率的线性和非线性反演模型进行了不同时间与空间上的独立性检验,结果表明:除了反演区域外,在整个塔克拉玛干沙漠地区,两种模型反演的地表发射率仍比原地表发射率模拟亮温更接近观测.总的来说,线性和非线性反演模型对沙漠地区的微波地表发射率反演均具有一定的有效性和普适性,且非线性反演模型优于线性反演模型.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区积雪深度反演

以青藏高原地区(25°N—40°N,70°E—105°E)为研究区域,基于积雪深度与微波辐射计18.7 GHz水平极化通道和36.5 GHz水平极化通道的亮温差(Tb_(18H)-Tb_(36H))具有良好的线性相关性,得出了适用于FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)亮温数据反演青藏高原地区雪深的新算法.利用FY-3B/MWRI一级亮温数据,通过新的半经验算法反演了青藏高原地区的积雪深度,进而运用AMSR2(the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)的二级雪深产品验证了反演结果.结果表明:针对青藏高原地区,新算法相对于全球积雪深度算法具有更小的平均相对误差以及更小的均方根误差,在该研究区域具有更好的适用性.今后可以结合该地区的地表类型分类,对积雪深度反演算法进行更加细致化的拟合,以期提高反演精度,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供支持.     

基于GPM探测资料的台风降水水平结构分析

利用全球降水测量卫星(Global Precipitation Measurement, GPM)的多频段微波成像仪(GPM Microwave Imager, GMI)和双频降水测量雷达(Dual-frequency Precipitation Radar, DPR)探测资料,分析了2010号台风“海神”水平结构的微波辐射亮温特征及近地表降水率分布情况,然后选取3个时次采用4种方法分别进行了GMI降水反演.结果表明：GMI低频通道的亮温高值区、中高频通道的亮温低值区与降水率较强分布区有很好的对应关系,台风降水率强弱与亮温值大小密切相关;运用中低频段通道组合法反演的雨强与实测雨强相关性较低,反演降水区分布与实际降水区分布差异明显,反演效果并非最佳;运用全频段通道组合的方法能明显提高和改善反演效果,尤其全频段直接组合法反演效果较好,对降水信息的指示更准确.本研究结果有助于加深对台风降水特征的理解,并为台风的降水反演和预报提供参考,以及在微波亮温信息揭示台风降水水平结构的宏观特征方面也具有一定的参考价值.