利用微波輻射計對月壤厚度進行研究

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1、萬方數(shù)據(jù)第19卷第3期遙感技術(shù)與應(yīng)用y。￡．19Ⅳo．3型!!!!塑一一!!些!!!!!型!!!!型!!!壘!塑!竺!!墮!!!!!絲：型!利用微波輻射計對月壤厚度進行研究藍愛蘭，張升偉(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京lO0080)摘要：介紹了運用并矢【；reen函數(shù)和起狀選散定理來計算平面分層媒質(zhì)的輻射亮溫，同時利用最小=乘法對多通道輻射計的模擬測量結(jié)果進行處理得到分層媒質(zhì)厚度的萬法。將該方法應(yīng)用于月壤厚度的反演研究，在假定月壤如平面分層鮚構(gòu)模型的情況下，得到了其厚度的反演結(jié)果，并對反演誤差原因進行分析。關(guān)鍵詞：月壤厚度反演

2、；分層媒質(zhì)；井矢Green函教；微波輻射計中圖分類號：TP79文獻標識碼：A文章編號：l004一0323(2004)03一0154051引言從17世紀初伽利略發(fā)明望遠鏡算起，人類進行科學(xué)探測月球的歷史已有300一一400年。在這幾百年的探月史中，出現(xiàn)了兩次高峰，第一次高峰期是20世紀50年代末至70年代初的美蘇登月競賽；進入90年代后，人類迎來了第二個探月高潮，但此時的探月目的已由“征服月球”變?yōu)椤袄迷虑颉?。月球上不具備化學(xué)風化作用、流水和冰蝕等產(chǎn)生粒徑均勻沉淀物的條件，但由于隕石的不斷撞擊，在月球表面上覆蓋著一層由巖石碎屑、粉末、

3、角礫、撞擊熔融玻璃等物質(zhì)組成的、結(jié)構(gòu)松散的混合物，我們稱之為月壤。月壤中富含3He等稀有氣體，是月球的重要資源。而3He是一種可長期使用的、清潔、安全和高效的核聚變發(fā)電的燃料，與氘一氚(D—T)聚變反應(yīng)釋放中子不同，氘一氦(D3He)聚變反應(yīng)釋放出質(zhì)子，因此其反應(yīng)所需防護的設(shè)施、材料和環(huán)保條件較D—T反應(yīng)簡便且廉價。如果能弄清月壤在月球表面的精確厚度、3

4、{e在月表不同月壤區(qū)以及月壤不同層位的確切情況，列未來開發(fā)利用月壤中的3He，為人類提供一種可長期使用的、清潔、安全和高效的核聚變發(fā)電的燃料，為解決人類目前所面l性的能源危機提供了一

5、種可能。但目前對于月壤中3He的含量及其分布還知之甚少，因此，對月壤厚度分布進行研究意義深遠。根據(jù)前人的研究結(jié)果?！覀兛梢越普J為月球表層是由月壤和月巖組成的分層結(jié)構(gòu)。雖然有些資料認為月球表層是由月塵、月壤和月巖三部分組成，但由于月塵的化學(xué)成分與月壤大致相同，且厚度較小，我們將其視為月壤的一部分。下文中介紹了一種求解分層媒質(zhì)亮溫的方法，并采用最小二乘法對多通道輻射計的測量數(shù)據(jù)進行比較分析，反演出月壤的厚度。2測量原理由于微波波長較長，具有一定穿透能力，可以獲得月球次表層的信息；且微波輻射計能全天時工作，因此我們采用微波輻射計對月球

6、進行探測。微波輻射計是一種被動微波遙感器，主要用于測量物質(zhì)自身的熱輻射。當上半空間為自由空間時，我們可以近似認為輻射計所測得的亮溫就是被測物的亮溫。在微波波段，黑體(發(fā)射率e—1)的輻射能量與物理溫度之間的關(guān)系可由P1ank定律的Rayleigh—Jeans近似式表示，而對于灰體(o

7、體散射可以忽略不計，則有：收■日期：P0∞一¨一07，蕾訂日期；2004032l作者倚介：藍受蘭(1979)，女．砸上生，主要研究方向為徽波輻射計及相關(guān)應(yīng)用萬方數(shù)據(jù)第3期藍愛蘭等：利用微波輻射計對月壤厚度進行研究155e=^。一2∥(2)而對于強損耗介質(zhì)，則有a》me’，因此其中：波數(shù)點一叫／盧￡。設(shè)一半空間媒質(zhì)的電導(dǎo)率為a、復(fù)介電常數(shù)為e，則其功率損耗率為：r1：。一mv，犀!；c～·+差。-”j6㈤因此，在深度zb<0)處的媒質(zhì)的熱輻射對表面亮溫的貢獻為：717B(z)一了’H(2)P22(4)由公式(2～4)可知，對同一種介質(zhì)，

8、頻率越高，發(fā)射率越大，在介質(zhì)中的傳輸損耗也越大，穿透能力較弱；而低頻的發(fā)射率雖小，但在介質(zhì)中的傳輸損耗小，穿透深度大。物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)e可以表幣為：E一一～批”一E，‘￡．．一7。(5)對于弱損耗介質(zhì)，因為一《一’，所以?！帧?，8”-?！?6)‘＼e’．其中：水平極化矢量^一IliiI，垂直極化矢量二一擊^×；，^表示波的傳播方向矢量。三一；^，}歲七，一三矗，由無界均勻空間的并矢Green函數(shù)，我們可以推導(dǎo)出圖1所示分層媒質(zhì)的并矢Green函數(shù)。＼+＼／

9、a?！讨?㈤3分層媒質(zhì)亮溫的計算模型非均勻物質(zhì)在自然界中廣泛存在，且大部分非均勻物質(zhì)的介電系數(shù)等物理性質(zhì)是隨機變化的，很難用確定的函數(shù)表達式描述，這加大了對其各方面進行研究的難度。為解決這個問題，我們將非均勻介質(zhì)層沿介電