一种基于亮温数据的月壤等效介电常数反演系统和设备

本发明涉及微波遥感，尤其涉及一种基于亮温数据的月壤等效介电常数反演系统和计算机设备。

背景技术：

1、基于嫦娥1号、嫦娥2号卫星所携带的微波辐射计(microwave radiometer，mrm)采集的亮温(brightness temperature，tb)数据，是世界上唯一的月球被动微波亮温数据，在月球科学研究中具有十分重要的科学价值。亮温数据对月壤介电特性非常敏感，可用于对浅表层月壤结构、热物理特性、钛铁含量等的研究，对进一步研究月壤演化历史和月球热演化历史等具有重要意义。但是，目前的研究中仍然缺乏基于亮温数据直接进行月壤特性反演的方法。

2、现有的研究中，公开号为cn105425215a的中国专利文献，公开了一种微波波段的月壤介电常数反演方法，包括以下步骤：获取月球表面的物理参数，并利用月尘-n层月壤-月岩模型，计算月球表面模拟亮温；在全月范围内，对0°、±1°、±2°……等整数纬度±0.1°范围内的所有实测亮温数据进行统计拟合，相同纬度用同一条曲线拟合，建立不同纬度的亮温日变化模型；根据时空归一化亮温差τ的定义式，计算实测亮温差τ1与模拟亮温差τ2；对实测亮温差τ1进行筛选和预处理，利用多变量约束最优化方法反演月壤介电常数。该方法在月壤介电常数反演过程中，使用不同纬度的亮温日变化模型，根据时空归一化亮温差的定义，计算实测亮温差与模拟亮温差作为反演基础数据，采用多变量约束最优化方法反演月壤介电常数。首先，该方法不是直接使用原始的观测数据，而是使用二次加工产品“亮温差”作为初始数据，这不可避免地对反演结果带来新的计算误差；其次，该方法使用的亮温日变化模型中，介电常数使用多个待反演参数拟合构成，这增加了复介电常数的不确定性；最后，在利用多变量最优约束方法反演过程中，其对待求参数的约束条件限制范围缺乏一定的理论依据，因而导致最终得到的反演结果精度较低。上述反演方法的负面影响使得反演得到的月壤介电常数误差较大，从而使得基于月壤介电常数确定的月壤特性与实际差距较大。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于亮温数据的月壤等效介电常数反演系统和计算机设备，其解决了现有技术对月壤特性的反演结果差距较大的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、本发明实施例提供一种基于亮温数据的月壤等效介电常数反演系统，包括：

6、数据获取模块，用于获取月壤温度廓线和月球在至少两个观测频率下的亮温数据；所述亮温数据为卫星微波辐射计被动接收到的月球微波辐射数据，所述观测频率为卫星微波辐射计接收通道的频率；

7、反演模块，用于基于所述月壤温度廓线和亮温数据，根据本地预先存储的月壤等效介电常数反演模型，采用偏最小二乘迭代方法执行反演过程，确定月壤等效介电常数；

8、其中，所述月壤等效介电常数反演模型为：基于月壤-月岩双层模型，在卫星微波辐射计的观测频率下将月壤当作厚度无限大介质，利用月壤辐射传输模型，构建一维无限月壤辐射传输模型，并建立不同观测频率下的月表亮温表达式，进而构建得到的月壤等效介电常数反演模型。

9、可选地，在所述反演模块中，所述根据本地预先存储的月壤等效介电常数反演模型，采用偏最小二乘迭代方法执行反演过程，确定月壤等效介电常数，包括：所述一维无限月壤辐射传输模型为：

10、

11、公式(1)中，表示月表经度，φ表示月表纬度，表示垂直观测条件下且观测频率为f下处的亮温数据；

12、表示处的真空-月壤界面的电磁波反射率，基于预先的第一构建过程得到；

13、表示处的月壤层的电磁波吸收系数，基于预先的第二构建过程得到；

14、表示基于指数型温度模型得到的月壤温度廓线，基于预先的第三构建过程得到。

15、可选地，所述预先的第一构建过程包括：在数据获取模块获取月壤温度廓线和亮温数据之前，获取卫星微波辐射计在垂直观测条件下的真空-月壤界面的电磁波反射率模型，以确定真空-月壤界面的电磁波反射率与月壤等效介电常数的关系；

16、所述真空-月壤界面的电磁波反射率模型为：

17、

18、公式(2)中，表示处的真空-月壤界面的电磁波反射率，表示处的月壤的等效介电常数实部，表示月表经度，φ表示月表纬度。

19、可选地，所述预先的第二构建过程包括：在数据获取模块获取月壤温度廓线和亮温数据之前，获取月壤层的电磁波吸收系数模型，以确定月壤层的电磁波吸收系数，

20、所述月壤层的电磁波吸收系数模型为：

21、

22、公式(3)中，表示月壤层处的电磁波吸收系数，表示月壤层处的等效介电常数实部，表示月壤层处的等效介电常数虚部，f表示观测频率，c表示光速。

23、可选地，所述预先的第三构建过程包括：在数据获取模块获取月壤温度廓线和亮温数据之前，获取月壤层的指数型温度模型，以确定月壤温度廓线；所述指数型温度模型为：

24、

25、公式(4)中，表示基于指数型温度模型得到的月壤温度廓线，表示月表经度，φ表示月表纬度，表示处的月表温度，表示处的月壤底层温度，β表示经验参数，根据指数型温度模型和指数型温度模型的模拟结果对比，且β的取值为-10时，两者的偏差极小，可以忽略。

26、可选地，所述反演过程包括：

27、确定月表亮温关于月壤等效介电常数实部和月壤等效介电常数虚部之间的关系表达式；并以月壤温度廓线和两个观测频率下的亮温数据作为输入参数，根据所述关系表达式构建关于月壤等效介电常数反演模型；

28、采用偏最小二乘迭代方法，基于代价函数和所述月壤等效介电常数反演模型，确定所述月壤等效介电常数实部的最优解，并基于所述月壤等效介电常数实部的最优解和所述关系表达式，确定月壤等效介电常数的虚部，以最终确定月壤等效介电常数。

29、可选地，确定月表亮温关于月壤等效介电常数实部和月壤等效介电常数虚部之间的关系表达式，并以月壤温度廓线和两个观测频率下的亮温数据作为输入参数，根据所述关系表达式构建关于月壤介电常数的反演模型，包括：

30、所述关系表达式为：

31、

32、所述两个观测频率下的亮温数据为tbf1和tbf2，所述以月壤温度廓线和两个观测频率下的亮温数据作为输入参数，根据所述关系表达式构建的月壤等效介电常数反演模型为：

33、

34、公式(5)和(6)中，表示月表经度，φ表示月表纬度，表示月壤处的等效介电常数虚部，表示处月壤的等效介电常数实部，tbf表示观测频率为f下的亮温数据，表示处的月表温度，表示处的月壤底层温度，c表示光速；f1和f2表示两个不同的观测频率。

35、可选地，所述采用偏最小二乘迭代方法，基于代价函数和所述月壤等效介电常数反演模型，确定所述月壤等效介电常数实部的最优解，包括：所述观测频率分别为f1、f2，利用所述月壤等效介电常数反演模型，求解得到的月壤介电常数实部的反演模型为：

36、

37、公式(7)中，g(ε′1,f1)＝g(ε′1,f2)，g(ε′1,f1)表示观测频率为f1时处对应的月壤等效介电常数虚部，g(ε′1,f2)表示观测频率为f2时处对应的月壤等效介电常数虚部，表示月表经度，φ表示月表纬度，表示处的月壤的等效介电常数实部，tbf1表示观测频率为f1下的亮温数据，tbf2表示观测频率为f2下的亮温数据，表示月表温度，表示月壤底层温度，c表示光速；

38、所述代价函数为：

39、p(ε′1)＝min(|g(ε′1,f1)-g(ε′1,f2)|)  (8)；

40、公式(8)中，p(ε′1)表示观测频率分别为f1和f2时对应的月壤等效介电常数虚部的绝对值残差，g(ε′1,f1)表示观测频率为f1时对应的等效介电常数虚部，g(ε′1,f2)表示观测频率为f2时对应的等效介电常数虚部，min(·)表示取最小值运算。

41、可选地，将所述月壤等效介电常数实部的最优解代入所述关系表达式，得到月壤等效介电常数的虚部的最优解，包括：

42、将所述月壤等效介电常数实部的最优解代入公式(5)中，求解得到月壤等效介电常数虚部的最优解。

43、第二方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现第一方面所述的基于亮温数据的月壤等效介电常数反演系统。

44、(三)有益效果

45、在本发明实施例提供的反演系统中，反演模块直接基于月壤温度廓线和亮温数据进行反演，确定月壤等效介电常数，以使后继基于所述月壤等效介电常数，确定月壤特性。也即，该系统直接利用卫星微波辐射计采集的亮温数据进行反演，得到客观的、不做任何预先假设辅助参数的月壤等效介电常数，因而相较于现有技术中使用的二次加工过的“亮温差”数据，能够有效降低由多次数据加工所引入的计算误差，从而使最终得到的月壤特性反演结果具有更小的误差。

46、其次，本发明实施例提供的反演系统，基于嫦娥1号、嫦娥2号卫星的微波辐射计所观测的电磁波频率对月壤的穿透特性，将现有理论中的月壤-月岩双层模型改进为一层无限月壤模型，并将微波辐射计数据可穿透深度范围内的月壤视为介电特性均匀的等效介质，结合相应的真空-月壤界面的电磁波反射率模型、月壤层的电磁波吸收系数模型、指数型温度模型，得到改进的月壤辐射传输模型，使其不但更贴近亮温数据对应的实际月表情况，而且使得月壤辐射传输模型能够通过解析式表达，从而进一步提高反演结果的精度。

47、最后，本发明实施例提供的反演系统，采用任意两个观测频率对应的亮温数据，求解得到目标区域月壤等效介电常数的实部和虚部。该方法直接建立了月表观测亮温与月壤介电常数实部和虚部的解析表达式，从而回避了月壤厚度、密度、钛铁含量等因素所造成的影响，从而进一步降低了反演结果的误差。