我國“嫦娥一號”探月衛星搭載的微波探測儀(Chang’e Lunar Microwave Sounder-CELMS)為認識月球提供了新的視角。利用CELMS 的多波段微波遙感數據,研究了月球的微波輻射特征。基于微波輻射傳輸理論,采用不同時段不同頻段微波亮溫數據的定量對比、統計分析等方法,首先分析月球微波輻射宏觀分布規律及影響因素,在此基礎上,重點研究幾個區的微波輻射特征,通過從面到點的微波輻射特征研究,為認識月球提供微波輻射特性方面的資料。研究結果顯示:月球的微波輻射具有顯著的時、空、頻差異性;太陽輻射是月球表層及次表層微波輻射的重要影響因素;局部地區微波輻射差異很大,除太陽輻射影響外,與物分、地形、結構等其它因素的相關程度增強。這些微波特征顯著不同于光學特征,結合起來,有助于進一步揭示月球的物化性質。
1、引言
隨著科技的發展,人類從肉眼觀測到采用各種遙感手段進行月球遙感探測,對月球的認識逐漸深入。但截至今天,由于受技術、通訊等原因的制約,月球探測活動還主要集中在月球的正面和表層,人類對月球的認知還很初步。如對月球地形地貌、內部構造及其如何形成的認識,至今仍不能找到充足的科學依據;對于月球礦物的研究,至今仍在不斷繼續且還未對月球元素豐度作出全面的測量;對月球上是否有水和哪里有水,至今還不能斷定。盡管Apollo等登月任務曾經對月表進行直接采樣,但由于采集到的樣品較少,不具備完全的代表性,給科學家研究月球帶來了很大的局限性。另外,截至嫦娥衛星上天,國際上對于月球的遙感探測多為光學數據,使用微波探測月球還不多見。
20 世紀60 年代,有人在地球上觀測月球波長為0. 4~70 cm 和69. 8~406. 5 cm 的輻射亮度溫度,但是受分辨率和地基觀測限制,只給出月球正面在地基觀測時的平均輻射亮度溫度,對于局部地區的分辨不夠,更無法給出月球背面的輻射亮度溫度分布。Bondarenko 和Shkuratov 曾試用地基雷達及光學數據反演月球正面大尺度范圍內的月壤厚度,但是,對月球背面的研究沒有涉及。
日本發布了Selene衛星對月球背面的觀測情況,并揭示了一些新的重力異常區。這些異常區補充了原有研究發現的月球的質量密集區域“mascon(mass concent rations)”。但總的來講,月球對人類而言,還有許多問題亟待探索和研究。“嫦娥一號”搭載的微波探測儀(CELMS)是世界上首次利用微波頻率在月球軌道上對月球進行探測,獲取了全球多通道微波遙感數據,為研究正面和背面月球提供了新的視角和較為充足的數據。
本文主要根據“嫦娥一號”的多波段微波遙感數據,對月球的微波輻射特點進行多尺度分析,總結月球多尺度上的微波輻射特性,為進一步認識月球提供科學依據。首先研究月球的微波輻射宏觀分布特征及其影響因素,在此基礎上,對一些局域在微波段的輻射特征進行分析,并結合月球的有關資料、光學、高程數據等,通過多通道微波亮溫的對比,總結月球宏觀與局部的微波遙感輻射規律,從而為進一步認識月球及月球的特殊區域提供微波輻射特性方面的資料,為下一步探測月球,以及進一步開發和利用月球提供基礎和依據。
2、數據準備與預處理
本論文所采用的主要數據有,“嫦娥一號”微波探測儀(CELMS)4 個頻率的亮溫數據, 包括3GHz、7. 8 GHz、19. 35 GHz 、37 GHz。時間段為2007 年12 月5 日至2007 年12 月31 日。該數據已經經過原始信號數據到天線溫度、地面亮溫數據的處理,包括考慮并濾除冷空背景其它星體照射的影響,經過非線性校正、交叉極化校正等過程。另外,本文還采用了美國地質調查局(U. S. Geological Survey ,USGS)的Clementine750 nm 全球光學數據及其月球高程(DEM)數據。
本文在數據分析的過程中,將所有數據進行了空間配準,并轉換到統一的處理框架下,以利于不同數據的綜合分析。
3、月球微波輻射宏觀分布
3. 1、月球微波輻射宏觀特征
在文獻中已經給出了全球的微波亮溫圖示,并給出了初步分析結果。本文在此基礎上,通過定量對比、統計分析等方法,進一步研究本次獲取的微波輻射數據,揭示月球微波輻射特征。主要得到如下幾個認識:
(1)、從全月看,對于4 個頻率,無論晝夜,月球的亮溫變化同緯度圈大致呈一致分布,從赤道到兩極逐漸降低。而在赤道及低緯度地區,亮溫還與其所處的經度位置存在一定的關系。亮溫等值線圖可以清晰展示這一點。圖1 標出了3 GHz 的亮溫等值線。
圖1、全月3 GHz 的亮溫等值線
(2)、相同時段不同頻率的月球微波輻射不同。如在白晝,全球4 個頻率的均值分別為200 K、206K、214 K、235 K。在黑夜,全球4 個頻率的均值分別為199 K、200 K、198 K、199 K。白晝高頻輻射量均值顯著高于低頻輻射量均值,黑夜4 個頻率差別不大(圖2 中斜線)。
圖2 白晝和黑夜4 個頻率亮溫均值對比