联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法

本发明涉及月球浅层物质属性反演，尤其是涉及一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法。

背景技术：

1、月球的外表层主要由松散的物质组成，其保留了月球地质历史和行星演化过程的重要线索，能够加深我们对内太阳系演化过程的理解。基于对月球样本的实验，科学家们已经对月球的浅层表面有了初步的认识。然而，这些样品都是在月球近侧收集的，无法表征其他区域(如月球背测)的物质特征。因此，通过轨道探测器进行辐射特征探测，是获取大范围月球浅表层物质特性(如热力学和介电特性)的重要手段。被动雷达生成的辐射亮温数据是解译浅表层物质热行为的关键，但目前对所接收到的辐射的构成，主要是辐射亮温数据是否包含了月壤层下方的岩石材料的辐射信息。此外，月壤和岩石的热力学和介电特性的差异很大程度上会影响对浅表层物质特性的分析。在估算月球浅表物质属性时，我们需要采用合适的地层模型来判断辐射亮温的来源，这主要取决于两个因素，即雷达穿透深度和探测区域的月壤厚度。其中，雷达穿透深度可以通过雷达频率、物质密度和矿物含量来初步估算。因此，月壤厚度是解译辐射亮温数据的关键。

2、光学和雷达数据可以通过多种方式估算月壤的厚度。对于光学探测方法，通常才用基于直径的撞击坑形态学方法。通过撞击坑反照率差异，将撞击坑分为暗色光晕坑(溅射物为月壤层下方的物质)和明亮射线坑(溅射物为新鲜的月壤物质)，结合直径与穿透深度的关系能够对月壤厚度的上下限进行约束。轨道器穿透雷达主要通过和激光测距数据结合的方式实现月壤厚度的估算。然而轨道器数据的分辨率较低，难以准确估算月壤厚度，从而导致由于月壤厚度估计不精确带来的轨道器辐射亮温解译精度差的问题，进而影像介电损耗估计精度。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，克服因为月壤厚度估计不精确带来的轨道器辐射亮温解译精度差的不足，实现轨道器辐射亮温数据的精准解译并估算浅表层月壤物质的介电损耗范围。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，包括以下步骤：

4、步骤1)获取嫦娥二号辐射亮温数据并确定观测时刻的当地时间；

5、步骤2)获取嫦娥四号测月雷达数据并进行预处理；

6、步骤3)基于预处理后的测月雷达数据进行地层划分，并提取月壤层数据；

7、步骤4)获取月球勘测者热中外第7波段数据，作为月表物理温度；

8、步骤5)基于测月雷达探测处月壤层数据中的月壤层厚度及辐射亮温数据的可探测深度，排除月壤层下方岩石辐射对回波的影响，以月表物理温度数据作为约束条件依托一维热力学方程构建月球浅表层物理温度模型；

9、步骤6)结合月球浅表层物理温度模型及辐射传输方程实现对不同频率辐射亮温的有效模拟；

10、步骤7)将观测的辐射亮温与不同介电损耗条件下反演的辐射亮温进行对比与匹配，确定不同频率下浅表层介电损耗范围。

11、所述观测时刻的当地时间根据太阳方位角、入射角及观测点纬度计算得到。

12、设太阳入射角为i，太阳方位角为α，观测点纬度为λ，那么该观测时刻对应的当地时间为：

13、

14、所述步骤2)包括以下步骤：

15、步骤2-1)获取嫦娥四号测月雷达数据；

16、步骤2-2)去重：去除测月雷达数据中的重复数据；

17、步骤2-3)零时刻校正：以雷达回波中真空-月壤的强回波所在的回波时刻对齐各列数据；

18、步骤2-4)直流偏移校正；

19、步骤2-5)背景噪音抑制；

20、步骤2-6)带通滤波，保留中心频率附近信息；

21、步骤2-7)回波增益：基于雷达回波时间对深层回波进行振幅补偿。

22、所述步骤5)包括以下步骤：

23、步骤5-1)根据雷达回波的振幅信息将测月雷达获取的地层剖面划分为月壤层和非月壤层；

24、步骤5-2)根据月壤的经验介电常数值，对月壤层厚度进行估算，着陆区探测到的最低厚度为7米；

25、步骤5-3)对比最低月壤厚度和最高辐射亮温数据探测深度，判断辐射亮温数据无法穿透月壤层，即所有数据均由浅层月壤辐射构成；

26、步骤5-4)以月表物理温度数据作为约束条件依托一维热力学方程构建月球浅表层物理温度模型。

27、所述月球浅表层物理温度模型为：

28、

29、其中，ρ是介质密度，c是比热容，κ是热导率，是辐射率，σ是斯特凡-玻尔兹曼常数，ts是月表物理温度，qs是太阳辐射，qg是地热辐射。

30、所述步骤6)包括以下步骤：

31、步骤6-1)根据探测频率、介电常数及损耗角正切估算功率损耗系数；

32、步骤6-2)根据月球浅表层物理温度模型提供的不同深度的物理温度，结合功率损耗系数以及各地层权重进行辐射亮温的有效模拟。

33、所述功率损耗系数的估算方法为：

34、

35、其中，ki是地层i的功率损耗系数，∈i是地层i的介电常数，f是探测频率，tanδ是损耗角正切，β是一个可调节参数。

36、所述步骤6-2)的进行辐射亮温的有效模拟tb的方法为：

37、

38、其中，ti是不同深度的物理温度，wi是各地层权重，di是地层i的厚度，ri(i+1)是地层i和i+1的反射系数，∈i是地层i的介电常数，ki是地层i的功率损耗系数。

39、所述步骤7)包括以下步骤：

40、步骤7-1)通过调整可调节参数β，实现对不同介电损耗下辐射亮温数据的有效模拟；

41、步骤7-2)基于模拟的辐射亮温数据，对嫦娥二号辐射亮温数据中观测到的最大和最小昼夜辐射亮温曲线进行有效的匹配与拟合，从而反演出冯卡门撞击坑的浅层物质在不同频率下的介电损耗范围。

42、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

43、(1)本发明克服了轨道器光学和雷达设备对月壤厚度估计精度不高的不足，将就位雷达探测到的地层信息与轨道器辐射亮温数据相集合，利用一位热力学和辐射传输模型实现了不同频率下月球辐射亮温数据的有限仿真，实现了月球浅层物质介电损耗的约束。

44、(2)现有的辐射亮温数据解译，未充分考虑微波辐射计的探测深度及所接收到数据的辐射来源，本发明基于测月雷达获取准确的月球次表层信息并估算月壤厚度，通过对比微波探测器在不同频率下的最大探测深度，排除月壤层下方物质的辐射干扰，提高了辐射亮温数据的解译精度。

技术特征：

1.一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述观测时刻的当地时间根据太阳方位角、入射角及观测点纬度计算得到。

3.根据权利要求2所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，设太阳入射角为i，太阳方位角为α，观测点纬度为λ，那么该观测时刻对应的当地时间为：

4.根据权利要求1所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述步骤5)包括以下步骤：

6.根据权利要求1或5所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述月球浅表层物理温度模型为：

7.根据权利要求1所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述步骤6)包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述功率损耗系数的估算方法为：

9.根据权利要求7所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述步骤6-2)的进行辐射亮温的有效模拟tb的方法为：

10.根据权利要求8所述的一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，其特征在于，所述步骤7)包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种联合辐射亮温与地层信息的月球浅表层介电损耗估计方法，包括：获取嫦娥二号辐射亮温数据并确定观测时刻当地时间；获取嫦娥四号测月雷达数据并进行预处理；基于测月雷达数据进行地层划分，提取月壤层数据；确定月表物理温度；基于测月雷达探测处的月壤层厚度及辐射亮温数据的可探测深度，排除月壤层下方岩石辐射对回波的影响，以月表物理温度数据作为约束条件依托一维热力学方程构建月球浅表层物理温度模型；结合物理温度模型及辐射传输方程实现对不同频率辐射亮温的有效模拟；将观测的辐射亮温与不同介电损耗条件下反演的辐射亮温进行对比与匹配，确定不同频率下浅表层介电损耗范围。与现有技术相比，本发明具有预测精度高等优点。

技术研发人员：冯永玖,陈书睿,曹雨泽,童小华,柳思聪,谢欢,许雄,陈鹏,金雁敏,王超
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13