基于月球热红外辐射测量的月表发射率反演及其尺度转换方法研究

Lunar surface emissivity can be used to extract silicate and femic minerals, which is composed of lunar crust. It is important supplement to luanr mineral visible-near infrared spectra. And different scales of lunar surface emissivities are important calibration sources for infrared channels of Earth satellites. The emissivities of different minerals is measured within vacuum environment and their features will be analyzed. Based on thermal radiation transfer equation, by combining the lunar surface temperature simulation and Apollo samples emissivities, the method will be given for the retrieval of lunar surface emissivity, and the lunar surface emissivity and temperature will separated. In the meanwhile, the scaling effect of lunar surface emissivity will be analyzed by experiments and simulation. And the scaling transformation method for non-isotemperature 3D mixture pixels will be built. Thus the different scale of lunar surface emissivity from luanr satellite and Earth based observatory infrared radiation will be transformed. It will play important scientific significant for lunar magma ocean come-being and revolution by the retrieval of silicate and famic minerals, also the scale transformation of lunar surface emissivity will have important application values for Earth satellite engineering.

月表发射率不仅可用于提取月表硅酸盐和铁镁质矿物等主要造岩矿物成分，作为月表矿物可见光-近红外光谱的有效补充，而且不同尺度上的月表发射率也是地球观测卫星，尤其是大气吸收波段在轨外定标的重要参考源。该研究以月表主要造岩矿物为例，模拟真空环境测量其发射率，分析其发射率特性，并在研究月表热辐射传输方程的基础上，结合月表温度模拟和Apollo样品发射率验证评价，建立适合月球的发射率反演方法，利用月球红外辐射数据反演月表不同尺度的发射率和表面温度。同时，在实验和数值模拟基础上，分析月表发射率的尺度效应，建立基于尺度效应的月表非同温三维结构混合像元发射率尺度转换方法，实现月球卫星和地基红外观测等反演发射率不同尺度的转换，由此反演的月表硅酸盐和铁镁质矿物将在月球岩浆洋形成演化研究上具有重要的科学意义，发射率转换也在地球卫星工程上具有重要的实践价值。

月表发射率是提取月表主要造岩矿物成分的重要物理参数，作为可见光、反射红外光谱的有效补充，多尺度月表发射率也是地球观测卫星在轨外定标的重要参照。依据项目研究目标，在华北、东北、内蒙等地区，选择与月表成分相似的6个试验区开展了野外调查及样品采集。测试了样品矿物化学及物理性质，根据Apollo样品相关特征，在实验室中对野外样品进行处理，完成了模拟月壤样品制备。在实验室大气、模拟真空和氮气冷背景环境中，对模拟月壤样品温度在40℃-200℃下，波长2-14μm范围内进行了发射率测量。实验室密闭大气反射率法几乎不存在“锯齿”现象，认为是目前最合理、经济和实用的月球样品发射率测量方法。以黑体辐射定律和辐射传输方程为基础，结合地表发射率反演算法，改进了发射率归一化法和温度发射率分离算法，基于月球在轨热红外辐射数据反演了月球表面发射率和表面温度，反演结果符合月表发射率分布规律。根据月球赤道附近Diviner亮温数据的稳定性，建立Diviner红外数据处理方案，获得了473米/像元分辨率的月表亮温分布，为月表热物理属性研究提供基础性数据。通过建立热传导模型，模拟得到月壤温度随时间及深度变化，利用模拟温度与红外辐射反演温度结果进行相互验证。模拟嫦娥4号登陆点同纬度温度，最低温度出现在6时，最低温为-187℃，误差3K，有效验证了模拟温度的准确性。根据发射率尺度效应的理论推导和三维辐射传输模拟，分析月表发射率的尺度效应，建立了基于尺度效应的月表非同温三维结构混合像元发射率尺度转换方法，实现不同尺度卫星热红外发射率之间的尺度转换。在月表发射率研究的基础上，基于Diviner数据与月球登陆点月表实测氧化物含量关系，反演了全月表主要化学元素含量和区域矿物含量分布，并对月表化学成分分布进行了解释。依托项目发表8篇SCI检索论文，2项国家发明专利获授权，编写专著1本，含8章、362页正文（待出版），组织1次国际学术会议。培养1名博士后，7名博士，2名硕士，其中2名研究生完成项目相关方向毕业论文。