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光学遥感仪器月球定标技术研究

牛明慧  
【摘要】:在轨定标是光学遥感仪器观测资料定量化应用的重要保证。月球表面具有极高的稳定性,且月球上没有大气,月球反射和热发射辐射的动态范围也与现存光学遥感仪器的测量动态范围相当,这些特性使月球成为潜在的遥感仪器在轨定标参考源。在太阳反射波段,国内对月球定标技术的研究起步较晚,有待于进一步补充和深化;在热发射波段,国内外都只有少量研究,且都属于间接月球定标,即利用不同通道之间或不同增益之间的交叉定标,尚没有直接以月球为定标参考源的研究。针对这些问题,本文从多个角度系统地论述了与月球定标相关的各种技术的理论和方法,包括:太阳反射波段的月球定标数据处理方法、月球的温度模型和热发射辐射模型的研究、地基月球观测的核心问题的解决方案等。当“太阳-月球-观测者”三者之间的几何位置关系一定时,月球的反射辐射量保持不变。利用这一特性,进行了太阳反射波段月球定标方法的研究。实际上这三者的位置关系总是在变动,需要进行距离修正、月相修正和天平动修正等归一化处理,之后才能认为月球观测序列理论上保持不变,而实际的衰减趋势则反映了遥感仪器响应率的衰减。以风云二号E星为研究范例,重点研究了静止轨道卫星辐射计可见光通道的月球定标算法,得到风云二号E星可见光通道的年衰减率约为2.17%,为订正辐射计的辐射定标的系统性偏差提供了参考。月球在热发射波段也是潜在的光学遥感仪器在轨定标参考源。为了研究月球在热发射波段的辐射特性,需要研究月球表面的温度分布。从标准一维热扩散模型出发,探讨了月球表面温度与太阳辐射、月球表面反射率和月壤热物理属性的定性关系,指出月球白天的温度主要受太阳辐射和月球表面反射率的控制,而月球夜晚的温度则对月壤热物理属性敏感。根据美国月球侦察轨道器(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)的红外探测仪器占卜者(Diviner)的地底观测数据,得到了全月球表面温度的空间和时间分布。最后以月球赤道地区为研究对象,探讨了月球赤道地区表面温度的解析形式,拟合残差在2.5%之内。月球表面的粗糙度使得月表的有效太阳辐射不完全随经纬度变化,另外由于月球上没有大气和月壤密度低等因素,月壤的绝热性很高,这就造成了月表的局部温度受控于它与太阳入射的相对角度。这种温度分布不均匀的尺度远远小于月球轨道探测器或地球轨道遥感仪器的瞬时视场,不同的观测角度下视场内热面和冷面所占的比例不同,得到的辐射温度也不同。根据Diviner的非地底观测数据研究了月球表面热发射辐射的方向特性,导出了辐射温度随发射角的变化规律,初步建立了月球的热发射辐射模型。以风云四号A星的中波红外波段(3.5~4.0μm)月球图像为例,验证了月球热发射辐射模型的合理性,模型预测辐亮度与风云四号A星实测辐亮度之间的差值约为-4.25%。同时也探讨了直接以月球热发射辐射作为参考源,进行遥感仪器在轨定标的方法。无论哪种方式的月球定标,都需要预先获知月球的反射或热发射辐射特性,地基月球观测是实现这一目的的一种有效途径。地基月球观测与遥感仪器月球观测存在路径、几何角度和仪器光谱响应等方面的差异,地基月球观测的结果需进行一系列处理后才能作为遥感仪器在轨定标的参考标准。论述了地基仪器自身的校准流程,建模仿真了大气校正的影响因素,分析了光谱响应匹配的算法。地基月球观测的最终目的是建立一个月球的反射和热发射辐射模型,此模型以观测时间、观测者和太阳在月心坐标系里的坐标为输入变量,计算得出观测者在任意位置所观测到的月球辐射量,达到遥感仪器在轨辐射定标的目的。通过对长期地基月球观测数据的分析,不断迭代更新模型的系数,可逐步提高模型的精度。论文的研究从多个角度为月球定标的应用提供了理论分析和方法指导,具有一定的科学研究价值和工程应用意义。


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