月球纵向温度分布遥感探测方法研究

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1、分类号学号D201177451学校代码10487密级博士学位论文月球纵向温度分布遥感探测方法研究学位申请人：郑文超学科专业：电磁场与微波技术指导教师：李青侠教授答辩日期：2016年1月9日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonLunarSurfaceVerticalTemperatureProfileswithRemoteSensingPh.D.Candidate：WenchaoZhengMajor：

2、Electromagnetic&MicrowaveTechnologySupervisor：Prof.QingxiaLiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJanuary,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授

3、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要月球是深空探测的起点，它可以为人类提供丰富的资源，对月球进行探测不仅可以利用这些资源并且还可以了解月球演化史，为人类进一步了解宇宙提供更多宝贵信息。月表纵

4、向温度分布是探月的科学目标之一，通过它不仅可以得到月球热流信息，还可以提取古太阳辐射的历史信息，揭示古太阳辐射变化规律。古太阳辐射变化规律可以作为分析太阳辐射对地球气候影响的重要依据，对研究地球全球气候变化问题具有重要的意义。本文研究月表纵向温度分布的遥感探测方法，首先建立了月表的微波辐射和散射模型；然后根据实测数据，分析了月球永久阴影区的亮温分布特征。为了实现月表纵向温度分布探测的目标，重点讨论了如何利用多频微波辐射亮温进行温度剖面的反演。最后，搭建了散射测量系统并设计了用于散射测量的天线，在微波暗室对模拟月壤结构进行了散射测量。本文的研究工作主要包括以下几个内容：为了了解月表的微波辐

5、射和散射特性，需要建立辐射和散射模型。本文首先提出了一种改进的IEM2Mc方法，用于计算粗糙月表的电磁散射问题，该方法主要特点在于在基尔霍夫表面场项中保留了完整的表面电流项和采用过渡模型来预测菲涅尔反射系数，在入射角或者散射角偏大时可以更好地估计散射系数。计算结果显示，当散射角大于60度后，改进和未改进前的结果差别会越来越大。将改进的IEM2Mc方法和非相干方法进行混合，用于计算月表多层结构的微波辐射亮温，表面的发射率通过改进的IEM2Mc方法得到，表面下的多层结构的辐射亮温则由非相干方法得到。此外，还利用非相干方法建立了多层模型用于分析辐射计埋入月壤内时辐射计上部物质辐射亮温与辐射计接

6、收到的总亮温的关系，仿真的结果显示在零度角时上部的辐射贡献极其小。利用嫦娥二号的微波亮温数据和LRO探测器的红外亮温数据，分析了月球南极永久阴影区Shoemaker、Haworth撞击坑的微波和红外亮温分布规律，发现永久阴影区内微波和红外亮温随时间变化不一致的现象，即红外亮温会随时间持续降低，而I华中科技大学博士学位论文微波亮温则在2011年3月后下降变缓甚至有上升趋势。随后，利用热传导模型和微波辐射模型解释了这一异常现象，同时利用假设的线性温度函数对Shoemaker地区进行了温度剖面反演，发现线性温度函数并不能解释永久阴影区全年的变化情况。当遥感设备位于月表上时，从辐射计探测深度的两

7、种定义方式出发，分别计算了探测10米以上温度信息所需要的探测频率，并进一步给出内部极小温度波动时，对应所需的辐射计灵敏度。利用微波辐射模型计算了多频反演时的权值函数，采用先验约束法对月表纵向温度剖面进行了反演，反演时分别考虑了微波辐射计置于月表上方和埋入月壤内部时两种情况，结果显示埋入月壤内部时反演的效果更好。搭建了频率步进的散射测量系统并设计了用于散射测量的天线，设计的天线是准八木结构的微带天线，可以工作在两个频段。天线可以组成天