基于粗糙月面微波辐射模型的月壤厚度反演研究

本项目综合考虑月壤温度、密度、介电常数、厚度和月表粗糙度等因素的影响，基于辐射传输理论和随机粗糙面理论，建立粗糙月面微波辐射传输模型，以更全面地揭示月壤微波辐射传输机理，提高月壤辐射传输模型精度；并构造基于辐射模型的亮温近似计算公式，利用嫦娥一号多源观测数据进行月壤厚度反演，通过改进的微粒群算法，力图在保证一定反演精度的前提下，降低厚度反演的复杂度。本项目研究有助于推进我国在世界月球探测热潮中做出创新性的工作，同时还将丰富电磁场理论、微波遥感理论的内容，具有重要的理论价值；本项目提出的具有粗糙表面的非均匀介质辐射传输模型也可应用于地球表面海冰、积雪、土壤等相关地物的辐射探测和火星等行星的探测上，具有广阔的应用前景。

本项目重点研究了微粗糙度和月面地形对亮温的影响机理：地形通过遮蔽效应影响太阳辐照度，从而影响温度剖面，同时还影响月壤发射率；而微粗糙度会改变月壤发射率。对于地形影响，结合随机粗糙面遮蔽理论计算平均太阳辐照度，带入热传导方程，求解温度剖面；而对于微粗糙度影响，指出传统切平面近似并不适用，而采用随机粗糙面二阶微扰法进行研究。总之，本项目综合考虑了月壤温度、密度、铁钛含量、厚度和月表大小尺度粗糙度等因素的影响，建立起全面考虑粗糙度的月壤微波辐射亮温模型。. 通过模型仿真计算发现：1）CE-1实测亮温与模拟亮温在数值上有一定差别。这一方面是由于在35-50公里的辐射计探测分辨率范围内，模型中的实际月面参数难以精确确定；另一方面实测数据也存在包括定标方面的一定误差。2）在地形、物理温度、铁钛含量、厚度等影响亮温的因素中，厚度是次要影响因素。如Apollo12地区，当月壤厚度从1m变化到4m，3GHz亮温仅变化不到2K，而由月面微尺度粗糙度引起的亮温变化已超过0.5K。3）只有3GHz能用于厚度反演，且其可探测深度与铁钛含量S密切相关。如Apollo12月海地区，S=18, 可探测深度不足4m，而Apollo 16月陆地区，S=5.55，可探测深度为8m。. 通过与嫦娥一号辐射计的沿轨实测亮温波形趋势进行对比，发现二者的趋势基本一致，波形趋势主要由铁钛含量和地形决定。. 本项目进而提出了考虑月表地形和铁钛含量的月壤厚度反演方法，基于嫦娥一号辐射计的实测亮温进行月壤厚度反演，将反演结果与已有的月球不同地点月壤实测厚度对比，表明二者结果比较接近。. 本项目提出的全面考虑粗糙度的月壤微波辐射模型对火星等外星球的辐射探测具有一定的借鉴意义。. 综上，本项目已完成预期计划。截止结题时共发表国际期刊论文2篇，国际会议论文1篇，被SCI收录2篇，被EI收录2篇。共培养硕士研究生5名。