利用微波辐射计对月壤厚度进行研究

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1、万方数据第19卷第3期遥感技术与应用y。￡．19Ⅳo．3型!!!!塑一一!!些!!!!!型!!!!型!!!垒!塑!竺!!堕!!!!!丝：型!利用微波辐射计对月壤厚度进行研究蓝爱兰，张升伟(中国科学院空间科学与应用研究中心，北京lO0080)摘要：介绍了运用并矢【；reen函数和起状选散定理来计算平面分层媒质的辐射亮温，同时利用最小=乘法对多通道辐射计的模拟测量结果进行处理得到分层媒质厚度的万法。将该方法应用于月壤厚度的反演研究，在假定月壤如平面分层鲒构模型的情况下，得到了其厚度的反演结果，并对反演误差原因进行分析。关键词：月壤厚度反演

2、；分层媒质；井矢Green函教；微波辐射计中图分类号：TP79文献标识码：A文章编号：l004一0323(2004)03一0154051引言从17世纪初伽利略发明望远镜算起，人类进行科学探测月球的历史已有300一一400年。在这几百年的探月史中，出现了两次高峰，第一次高峰期是20世纪50年代末至70年代初的美苏登月竞赛；进入90年代后，人类迎来了第二个探月高潮，但此时的探月目的已由“征服月球”变为“利用月球”。月球上不具备化学风化作用、流水和冰蚀等产生粒径均匀沉淀物的条件，但由于陨石的不断撞击，在月球表面上覆盖着一层由岩石碎屑、粉末、

3、角砾、撞击熔融玻璃等物质组成的、结构松散的混合物，我们称之为月壤。月壤中富含3He等稀有气体，是月球的重要资源。而3He是一种可长期使用的、清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料，与氘一氚(D—T)聚变反应释放中子不同，氘一氦(D3He)聚变反应释放出质子，因此其反应所需防护的设施、材料和环保条件较D—T反应简便且廉价。如果能弄清月壤在月球表面的精确厚度、3

4、{e在月表不同月壤区以及月壤不同层位的确切情况，列未来开发利用月壤中的3He，为人类提供一种可长期使用的、清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料，为解决人类目前所面l性的能源危机提供了一

5、种可能。但目前对于月壤中3He的含量及其分布还知之甚少，因此，对月壤厚度分布进行研究意义深远。根据前人的研究结果。’，我们可以近似认为月球表层是由月壤和月岩组成的分层结构。虽然有些资料认为月球表层是由月尘、月壤和月岩三部分组成，但由于月尘的化学成分与月壤大致相同，且厚度较小，我们将其视为月壤的一部分。下文中介绍了一种求解分层媒质亮温的方法，并采用最小二乘法对多通道辐射计的测量数据进行比较分析，反演出月壤的厚度。2测量原理由于微波波长较长，具有一定穿透能力，可以获得月球次表层的信息；且微波辐射计能全天时工作，因此我们采用微波辐射计对月球

6、进行探测。微波辐射计是一种被动微波遥感器，主要用于测量物质自身的热辐射。当上半空间为自由空间时，我们可以近似认为辐射计所测得的亮温就是被测物的亮温。在微波波段，黑体(发射率e—1)的辐射能量与物理温度之间的关系可由P1ank定律的Rayleigh—Jeans近似式表示，而对于灰体(o

7、体散射可以忽略不计，则有：收■日期：P0∞一¨一07，蕾订日期；2004032l作者倚介：蓝受兰(1979)，女．砸上生，主要研究方向为徽波辐射计及相关应用万方数据第3期蓝爱兰等：利用微波辐射计对月壤厚度进行研究155e=^。一2∥(2)而对于强损耗介质，则有a》me’，因此其中：波数点一叫／卢￡。设一半空间媒质的电导率为a、复介电常数为e，则其功率损耗率为：r1：。一mv，犀!；c～·+差。-”j6㈤因此，在深度zb<0)处的媒质的热辐射对表面亮温的贡献为：717B(z)一了’H(2)P22(4)由公式(2～4)可知，对同一种介质，

8、频率越高，发射率越大，在介质中的传输损耗也越大，穿透能力较弱；而低频的发射率虽小，但在介质中的传输损耗小，穿透深度大。物质的复介电常数e可以表币为：E一一～批”一E，‘￡．．一7。(5)对于弱损耗介质，因为一《一’，所以。≈“，8”-。∥(6)‘＼e’．其中：水平极化矢量^一IliiI，垂直极化矢量二一击^×；，^表示波的传播方向矢量。三一；^，}岁七，一三矗，由无界均匀空间的并矢Green函数，我们可以推导出图1所示分层媒质的并矢Green函数。＼+＼／

9、a。√芝4㈤3分层媒质亮温的计算模型非均匀物质在自然界中广泛存在，且大部分非均匀物质的介电系数等物理性质是随机变化的，很难用确定的函数表达式描述，这加大了对其各方面进行研究的难度。为解决这个问题，我们将非均匀介质层沿介电