宽温度月表中波红外光谱热辐射去除算法研究

It is of great scientific significance and application value to study the characteristics of medium wave infrared spectrum of lunar surface. It is also one of the problems to be solved urgently in the application of Chang'e-5 lunar mineral spectrometer. Because the lunar surface is in the wide temperature range, medium wave infrared spectrum is a mixed spectrum containing both reflected solar radiance and self-emission radiance. The number of unknown parameters in the mixed spectral model is larger than the number of measured value, so facing with the problem of abnormal state that can not be solved directly. In order to realize the inversion of the reflectance spectrum of medium wave infrared spectrum, we first establish and simulate the mixed spectral model of the lunar target of the wide temperature. Then, based on the data processing method of the American M3 spectrometer, the thermal removal algorithm is studied in depth, and the reflectance spectrum is retrieved by solving the target temperature. Based on the in-depth theoretical calculation and research of the algorithm, the ground simulation verification experiment is carried out to verify and optimize the algorithm. The inversion of the reflectance spectrum of the lunar mineral spectrometer in-orbit data is carried out by using the thermal removal algorithm to meet the requirements of scientific application, and provide the technical basis and means for the analysis of the specific material composition and the element content inversion.

开展月面目标中波红外光谱段特性的研究具有重要的科学意义和应用价值，也是即将发射的嫦娥五号月球矿物光谱分析仪在轨数据应用亟待解决的问题之一。由于月面目标处于宽温度范围内，其中波红外谱段辐射光谱是既包含反射太阳辐射，又包含自身发射辐射的混合光谱，混合光谱模型中未知参数个数大于测量值个数，面临无法直接求解的病态问题。为了实现对目标参数中波红外谱段反射率光谱的反演，本研究中首先建立并仿真分析宽温度月表目标的混合光谱模型，然后在美国月球矿物质谱仪数据处理方法的基础上，建立并深入研究热辐射去除算法，通过求解月表目标温度进而反演反射率光谱。在对算法进行深入理论计算和研究的基础上，搭建地面模拟验证试验对算法进行验证和性能优化。利用热辐射去除算法对月球矿物光谱分析仪在轨数据进行反射率光谱反演，使其能满足科学应用需求，为月面目标特定物质成分分析和元素含量反演提供技术基础和实现手段。

本项目的背景是服务于嫦娥五号月球矿物光谱分析仪在轨数据应用而开展的宽温度月表中波红外光谱特性研究工作，旨在通过设计反射率光谱反演算法来帮助实现对月表物质成分分析和元素含量反演，具有重要的科学意义和应用价值。本项目的主要研究内容主要有两方面：1.由于月表目标处于宽温度范围内，其中波红外谱段辐射光谱是既包含反射太阳辐射，又包含自身发射辐射的混合光谱，需要通过仿真分析建立混合光谱模型。考虑到模型中未知参数个数大于测量值个数，无法直接求解，因此本研究结合当前现有方法和先验知识，设计了热辐射去除算法，大大提高了月表目标反射率光谱的反演准确度，为后续的物质成分判定提供更好的数据基础；2.在对热辐射去除算法进行深入理论推导的基础上，搭建地面模拟验证试验对算法进行验证、测试和优化。在本项目申请时，计划将用本项目的算法对月球矿物光谱分析仪在轨数据进行反射率光谱反演，以验证本方法在月球矿物光谱分析仪在轨数据上的性能，但是由于嫦娥五号发射日期由2017年12月延期至2020年11月24号，并且目前官方暂未发布月球矿物光谱分析仪在月面采集到的科学数据，因此，随着官方将月球矿物光谱分析仪在轨光谱数据公开，本研究将会继续开展对在轨数据的测试分析和优化工作。本项的重要结果包括前期的建模和算法设计，以及地面验证试验平台搭建和开展试验。在对试验获取的模拟月壤混合光谱进行反射率光谱反演后，通过对比分析，本项目提出的算法能够大大提高月表物质的反射率光谱反演精度，可以为后续的物质成分分析和元素含量判定提供更加准确的反射率数据。