月表微波辐射与散射计算及次表层结构探测

摘要

上世纪六十年代开始,人类通过各种方式展开了对月球的探测,希望通过研究月球地形、地貌、内部结构和物质组成等信息,了解月球及其它星球的形成和演化历史,并带动一系列相关学科的创新和发展。在探月过程中,微波遥感技术是探测全月球表层土壤内部结构和物质组成的重要手段。由于对月探测的成果无法像对地遥感那样直接取样验证,因此探测结果的正确性依赖于对遥感数据的认识、处理和分析。在这个过程中,月壤模型的建立和分析尤为关键,也成为探月中的重要研究方向。
　　虽然月球距地球十分遥远,但微波辐射理论和电磁散射理论为月壤辐射与散射特性的研究提供了强有力的理论基础,而计算机性能的提高以及高性能、集群式工作站的出现更是为定量计算月表辐射亮温和散射系数等特性提供了硬件基础。通过这种数值计算的方式,可以有效地研究不同月壤模型的辐射与散射特性,并在此基础上提出月表探测方案及月壤相关参数的反演方法。将理论分析结果与实测数据对比,有利于正确阐释遥感数据中的月壤特征,认识月壤内部的真实结构。因此,本文围绕月表辐射和散射的数值计算展开了相关研究工作,主要包括:
　　首先对微波辐射测量和电磁散射计算的基础理论进行了介绍,在总结月壤相关研究(如月表粗糙度、月壤温度剖面、月壤模型等)的基础上,结合月壤次表面结构和水冰探测的需要,提出了包含月表粗糙性的多层物理模型,为研究粗糙月表的辐射与散射特性打下基础。同时,为减少数值计算的复杂度,采用高斯随机粗糙面,研究了一维粗糙面和二维粗糙面间的差异。研究结果表明,当二维粗糙面在两个维度上具有相同的粗糙度时,可以采用一维粗糙面进行模拟仿真,有利于降低数值计算的复杂度。
　　其次,基于多层月壤物理模型,研究了月表辐射亮温和散射特性的计算方法。对于辐射亮温,提出了微波辐射传输理论与矩量法相结合的混合方法,用于研究粗糙月表的辐射亮温,并对方法的有效性进行了验证。研究结果表明:月表粗糙度会对辐射亮温产生影响,且与辐射计极化状态和观测角有密切关系;通过调整辐射计观测角,在垂直极化状态下能够将粗糙度的影响降至较低水平,从而利于月壤参数的反演。对于月壤散射特性,研究了次表面回波与表面回波的相干性,并在此基础上提出了采用步进频率雷达进行次表面结构探测的方案。结合矩量法计算结果,对探测方案的性能进行了讨论,结果表明:步进频率信号能提供更丰富的散射信息,使该方案在月表粗糙度较大情况下,仍然能够对次表面结构进行探测,但需要分层面上下媒质的介电常数差异足够大。在数值计算方法研究的基础上,对月壤中可能存在的水冰带来的影响进行了分析。当月壤中含有水冰时,会引起发射率增加、辐射亮温升高等现象,但单一的探测手段不足以对水冰的存在及含量进行判断,需借助多遥感设备进行复合探测,并对月壤参数进行联合反演。
　　再次,为了配合月表散射特性计算,针对月壤模型的大尺度、多层粗糙面等结构特点,提出了广义带状矩阵迭代(GBMIA)算法,并用矩量法对新算法的精确度进行了检验。结果表明:GBMIA既降低了存储量,又节省了计算时间,并且不会对计算结果带来太大误差,适合研究月表散射特性。
　　最后,研究了系统空间分辨率的增强算法。采用信号处理方式等效于减小天线波束覆盖范围,从而降低月壤模型的计算规模。仿真和实验结果表明,本文通过改进高频提升法,使系统空间分辨率进一步提高,而且反演结果更准确。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外探月研究现状

1.3 目前研究中需要解决的问题

1.4 论文研究内容及结构安排

2 月壤微波辐射与散射理论基础

2.1 引言

2.2 微波辐射测量理论

2.3 电磁散射计算理论

2.4 月球表层物理模型

2.5 一维模型有效性验证

2.6 本章小结

3 粗糙月表的辐射亮温模拟

3.1 引言

3.2 粗糙月表微波辐射亮温计算模型

3.3 月表下方辐射亮温计算

3.4 粗糙面的透射系数

3.5 辐射亮温仿真及讨论

3.6 本章小结

4 次表面结构探测及分层月壤的电磁散射计算

4.1 引言

4.2 基于回波时延的次表面探测

4.3 基于步进频率信号的次表面探测

4.4 多层粗糙面电磁散射计算

4.5 次表面探测性能仿真

4.6 水冰层对月壤发射率的影响

4.7 本章小结

5 大尺寸分层粗糙面电磁计算

5.1 引言

5.2 BMIA/CAG算法原理

5.3 BMIA/CAG用于多层模型的问题

5.4 GBMIA算法原理

5.5 GBMIA计算结果精度分析

5.6 本章小结

6 星载遥感的空间分辨率增强算法

6.1 引言

6.2 解卷积运算的原理及缺陷

6.3 高频提升法原理

6.4 高频提升的改进方案

6.5 性能仿真及实验验证

6.6 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间发表和提交的学术论文

附录2 矩量法中系数矩阵的Taylor展开