一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，包括以下步驟：獲取月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，并利用平面擬合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及遮蔽函數(shù)對月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)進行計算，以獲得月球表面有效太陽輻照度，根據(jù)月壤的物理參數(shù)和步驟（1）中獲得的有效太陽輻照度并使用熱傳導(dǎo)理論和月壤分層模型獲得月壤不同深度的溫度T，根據(jù)步驟（2）獲得的溫度剖面并利用burke多層平面分層亮溫模型以及電磁波極化理論計算月球表面亮溫。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有模型中忽略地形起伏對月壤微波輻射亮溫影響這一技術(shù)問題。
【專利說明】一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波遙感領(lǐng)域，更具體地，涉及一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]“嫦娥一號”(CE-1)和“嫦娥二號”(CE-2)對月探測的一個重要科學(xué)任務(wù)就是記錄月壤微波輻射亮度溫度數(shù)據(jù)，從而反演月壤層厚度，并在此基礎(chǔ)上評估月球上氦3資源含量。月壤厚度的研究是月壤研究的一項重要的內(nèi)容，它對以后的月球探測、載人登月、月球基地選址以及開發(fā)和利用月球資源等都具有非常重要的意義。要想提高反演月壤厚度的精度，首先要建立一個準(zhǔn)確的月壤微波輻射亮溫正向模型。
[0003]目前對粗糙月面微波輻射亮溫的研究，主要是基于平面分層媒質(zhì)，并未考慮地形起伏對微波輻射亮溫的影響。事實上，對于星載遙感應(yīng)用，微波輻射計的探測范圍在幾十公里以上，其中的月表可能有地形起伏。這種大尺度的地形起伏將直接導(dǎo)致太陽入射角的變化，引起區(qū)域內(nèi)月球表面物理溫度的升高和降低。對于月球表面存在的小尺度地形起伏(如輻射計探測范圍內(nèi)相對于基準(zhǔn)面的高度起伏)，因為隨機粗糙面的遮蔽效應(yīng)會導(dǎo)致太陽光的照射情況的變化，從而引起月球表面物理溫度的降低。因此有必要對粗糙月面的地形起伏加以妥善處理，建立更符合實際情況的粗糙月面分層微波輻射亮溫模型。
[0004]在地形起伏較大的區(qū)域，如月陸地區(qū)，地形起伏對于月球表面溫度的影響是不能忽略的，因為這些區(qū)域的傾斜、遮蔽等特性對太陽光照、有效太陽輻照度、天線觀測角等有重要的影響，進而對表面溫度有較大影響，因此現(xiàn)有的平面模型會導(dǎo)致月球表面亮溫的計算值與實測值相差較大(可達十幾K)，從而造成反演月壤厚度的精確度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其目的在于解決現(xiàn)有模型中忽略地形起伏對月壤微波輻射亮溫影響這一技術(shù)問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，包括以下步驟:
[0007](I)獲取月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，并利用平面擬合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及遮蔽函數(shù)對月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)進行計算，以獲得月球表面有效太陽輻照度；本步驟包括以下子步驟:
[0008](1-1)通過微波輻射計獲取月球表面被測點的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，包括經(jīng)度lgt、緯度lat、高程H、太陽入射角Θ、太陽方位角Φ、對應(yīng)的月球時間t、月表接收的太陽輻照度L、月壤中氧化鐵和二氧化鈦的含量S以及微波輻射計的工作頻率f，這里的高程H和太陽入射角Θ、太陽方位角Φ都是在全局坐標(biāo)系下得到的；
[0009](1-2)根據(jù)步驟(1-1)中獲得的微波數(shù)據(jù)參數(shù)并使用最小二乘法將微波輻射計天線的月面足印內(nèi)小面元中所獲取的所有點擬合成一個平面，并獲取該平面的傾斜角和方位角；
[0010](1-3)依據(jù)步驟(1-1)和(1-2)中獲得的參數(shù)，以步驟(1-2)中的擬合平面作為基準(zhǔn)面建立本地坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得太陽本地入射角Θ'和太陽本地方位角Φ'，其計算公式為:
[0011]cos Θ ' = cos a cos Θ+sin a sin Θ cos ( Φ - β )
[0012]sin θ ' = (1-cos2 θ ' )1/2
[0013]sin Φ ' = 8?ηθ8?η(φ-β)/8?ηθ '
[0014]cos Φ ' = (cos α sin θ cos ( φ - β ) -sin α cos θ ) /sin θ '
[0015](1-4)依據(jù)步驟(1-1)至(1-3)中獲得的參數(shù)獲得微波輻射計探測范圍內(nèi)的月球表面斜率P、q以及月球表面的局部法向矢量5表面均方根高度σ、表面相關(guān)長度Ix和Iy、表面均方根斜率w ;
[0016](1-5)依據(jù)步驟 (1-3)和(1-4)中獲得的參數(shù)并根據(jù)遮蔽函數(shù)理論獲得微波輻射計探測范圍內(nèi)的月球表面的二維雙向遮蔽函數(shù)S(p，q，θ'，φ'，Q1),其中觀測角θ1 =α ;
[0017](1-6)依據(jù)步驟(1-1)至(1-5)獲得的參數(shù)計算太陽輻照度的衰減因子IN和太陽有效輻照度Ieff，其計算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)獲取月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，并利用平面擬合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及遮蔽函數(shù)對月球表面的微波數(shù)據(jù)參數(shù)進行計算，以獲得月球表面有效太陽輻照度；本步驟包括以下子步驟: (1-1)通過微波輻射計獲取月球表面被測點的微波數(shù)據(jù)參數(shù)，包括經(jīng)度lgt、緯度lat、高程H、太陽入射角Θ、太陽方位角Φ、對應(yīng)的月球時間t、月表接收的太陽輻照度Itl、月壤中氧化鐵和二氧化鈦的含量S以及微波輻射計的工作頻率f，這里的高程H和太陽入射角Θ、太陽方位角Φ都是在全局坐標(biāo)系下得到的； (1-2)根據(jù)步驟(1-1)中獲得的微波數(shù)據(jù)參數(shù)并使用最小二乘法將微波輻射計天線的月面足印內(nèi)小面元中所獲取的所有點擬合成一個平面，并獲取該平面的傾斜角和方位角； (1-3)依據(jù)步驟(1-1)和(1-2)中獲得的參數(shù)，以步驟(1-2)中的擬合平面作為基準(zhǔn)面建立本地坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得太陽本地入射角Θ'和太陽本地方位角Φ'，其計算公式為:
cos Θ ' = cos a cos Θ +sin a sin Θ cos ( Φ - β )
sin θ ' = (1-cos2 θ ' )1/2
sin Φ ' = 8?ηθ8?η(φ-β)/8?ηθ '
cos Φ ' = (cos α sin θ cos ( Φ - β ) -sin α cos θ ) /sin θ ' (1-4)依據(jù)步驟(1-1)至(1-3)中獲得的參數(shù)獲得微波輻射計探測范圍內(nèi)的月球表面斜率P、q以及月球表面的局部法向矢量η ?2、表面均方根高度σ、表面相關(guān)長度ly、表面均方根斜率w ； (1-5)依據(jù)步驟(1-3)和(1-4)中獲得的參數(shù)并根據(jù)遮蔽函數(shù)理論獲得微波輻射計探測范圍內(nèi)的月球表面的二維雙向遮蔽函數(shù)S (p，q，Θ '，φ'，Q1),其中觀測角θι = α ; (1-6)依據(jù)步驟(1-1)至(1-5)獲得的參數(shù)計算太陽輻照度的衰減因子IN和太陽有效輻照度Ieff，其計算公式為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(1-2)中，曲面擬合平面的具體方法如下: (1-2-1)將小面元中η個點擬合成的平面ζ的表達式為 z = b1+b2x+b3y 其中，h、b2和b3為待求系數(shù)，則有

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(1-4)的計算公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(1-5)的計算公式為: 當(dāng)Θ i > Θ '時，
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(2-2)包括以下子步驟: (2-2-1)根據(jù)登月點實測和經(jīng)驗公式獲得月壤密度P，具體采用以下公式:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(2-3)具體為:根據(jù)能量守恒定律導(dǎo)出的一維熱傳導(dǎo)方程為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起伏月面微波輻射亮溫的計算方法，其特征在于，步驟(3)包括以下子步驟: (3-1)根據(jù)步驟(2)中獲得月壤第i層的物理溫度為Ti,復(fù)介電常數(shù)為sj=￡0(s'r -Jsi)獲得月壤第i層的復(fù)波阻抗H j和復(fù)波數(shù)ki;計算公式如下:
【文檔編號】G01J5/06GK103512663SQ201310419939
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】陳萍, 黃全量, 張莉娟, 何燕春, 王叢叢, 劉杰娜, 華蕾, 李青俠 申請人:華中科技大學(xué)