一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法，包括以下步骤：获取月球表面的微波数据参数，并利用平面拟合、坐标转换以及遮蔽函数对月球表面的微波数据参数进行计算，以获得月球表面有效太阳辐照度，根据月壤的物理参数和步骤（1）中获得的有效太阳辐照度并使用热传导理论和月壤分层模型获得月壤不同深度的温度T，根据步骤（2）获得的温度剖面并利用burke多层平面分层亮温模型以及电磁波极化理论计算月球表面亮温。本发明能够解决现有模型中忽略地形起伏对月壤微波辐射亮温影响这一技术问题。
【专利说明】一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波遥感领域，更具体地，涉及一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法。
【背景技术】
[0002]“嫦娥一号”(CE-1)和“嫦娥二号”(CE-2)对月探测的一个重要科学任务就是记录月壤微波辐射亮度温度数据，从而反演月壤层厚度，并在此基础上评估月球上氦3资源含量。月壤厚度的研究是月壤研究的一项重要的内容，它对以后的月球探测、载人登月、月球基地选址以及开发和利用月球资源等都具有非常重要的意义。要想提高反演月壤厚度的精度，首先要建立一个准确的月壤微波辐射亮温正向模型。
[0003]目前对粗糙月面微波辐射亮温的研究，主要是基于平面分层媒质，并未考虑地形起伏对微波辐射亮温的影响。事实上，对于星载遥感应用，微波辐射计的探测范围在几十公里以上，其中的月表可能有地形起伏。这种大尺度的地形起伏将直接导致太阳入射角的变化，引起区域内月球表面物理温度的升高和降低。对于月球表面存在的小尺度地形起伏(如辐射计探测范围内相对于基准面的高度起伏)，因为随机粗糙面的遮蔽效应会导致太阳光的照射情况的变化，从而引起月球表面物理温度的降低。因此有必要对粗糙月面的地形起伏加以妥善处理，建立更符合实际情况的粗糙月面分层微波辐射亮温模型。
[0004]在地形起伏较大的区域，如月陆地区，地形起伏对于月球表面温度的影响是不能忽略的，因为这些区域的倾斜、遮蔽等特性对太阳光照、有效太阳辐照度、天线观测角等有重要的影响，进而对表面温度有较大影响，因此现有的平面模型会导致月球表面亮温的计算值与实测值相差较大(可达十几K)，从而造成反演月壤厚度的精确度较低。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其目的在于解决现有模型中忽略地形起伏对月壤微波辐射亮温影响这一技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法，包括以下步骤:
[0007](I)获取月球表面的微波数据参数，并利用平面拟合、坐标转换以及遮蔽函数对月球表面的微波数据参数进行计算，以获得月球表面有效太阳辐照度；本步骤包括以下子步骤:
[0008](1-1)通过微波辐射计获取月球表面被测点的微波数据参数，包括经度lgt、纬度lat、高程H、太阳入射角Θ、太阳方位角Φ、对应的月球时间t、月表接收的太阳辐照度L、月壤中氧化铁和二氧化钛的含量S以及微波辐射计的工作频率f，这里的高程H和太阳入射角Θ、太阳方位角Φ都是在全局坐标系下得到的；
[0009](1-2)根据步骤(1-1)中获得的微波数据参数并使用最小二乘法将微波辐射计天线的月面足印内小面元中所获取的所有点拟合成一个平面，并获取该平面的倾斜角和方位角；
[0010](1-3)依据步骤(1-1)和(1-2)中获得的参数，以步骤(1-2)中的拟合平面作为基准面建立本地坐标系，根据坐标转换获得太阳本地入射角Θ'和太阳本地方位角Φ'，其计算公式为:
[0011]cos Θ ' = cos a cos Θ+sin a sin Θ cos ( Φ - β )
[0012]sin θ ' = (1-cos2 θ ' )1/2
[0013]sin Φ ' = 8?ηθ8?η(φ-β)/8?ηθ '
[0014]cos Φ ' = (cos α sin θ cos ( φ - β ) -sin α cos θ ) /sin θ '
[0015](1-4)依据步骤(1-1)至(1-3)中获得的参数获得微波辐射计探测范围内的月球表面斜率P、q以及月球表面的局部法向矢量5表面均方根高度σ、表面相关长度Ix和Iy、表面均方根斜率w ;
[0016](1-5)依据步骤 (1-3)和(1-4)中获得的参数并根据遮蔽函数理论获得微波辐射计探测范围内的月球表面的二维双向遮蔽函数S(p，q，θ'，φ'，Q1),其中观测角θ1 =α ;
[0017](1-6)依据步骤(1-1)至(1-5)获得的参数计算太阳辐照度的衰减因子IN和太阳有效辐照度Ieff，其计算公式为:
【权利要求】
1.一种起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)获取月球表面的微波数据参数，并利用平面拟合、坐标转换以及遮蔽函数对月球表面的微波数据参数进行计算，以获得月球表面有效太阳辐照度；本步骤包括以下子步骤: (1-1)通过微波辐射计获取月球表面被测点的微波数据参数，包括经度lgt、纬度lat、高程H、太阳入射角Θ、太阳方位角Φ、对应的月球时间t、月表接收的太阳辐照度Itl、月壤中氧化铁和二氧化钛的含量S以及微波辐射计的工作频率f，这里的高程H和太阳入射角Θ、太阳方位角Φ都是在全局坐标系下得到的； (1-2)根据步骤(1-1)中获得的微波数据参数并使用最小二乘法将微波辐射计天线的月面足印内小面元中所获取的所有点拟合成一个平面，并获取该平面的倾斜角和方位角； (1-3)依据步骤(1-1)和(1-2)中获得的参数，以步骤(1-2)中的拟合平面作为基准面建立本地坐标系，根据坐标转换获得太阳本地入射角Θ'和太阳本地方位角Φ'，其计算公式为:
cos Θ ' = cos a cos Θ +sin a sin Θ cos ( Φ - β )
sin θ ' = (1-cos2 θ ' )1/2
sin Φ ' = 8?ηθ8?η(φ-β)/8?ηθ '
cos Φ ' = (cos α sin θ cos ( Φ - β ) -sin α cos θ ) /sin θ ' (1-4)依据步骤(1-1)至(1-3)中获得的参数获得微波辐射计探测范围内的月球表面斜率P、q以及月球表面的局部法向矢量η ?2、表面均方根高度σ、表面相关长度ly、表面均方根斜率w ； (1-5)依据步骤(1-3)和(1-4)中获得的参数并根据遮蔽函数理论获得微波辐射计探测范围内的月球表面的二维双向遮蔽函数S (p，q，Θ '，φ'，Q1),其中观测角θι = α ; (1-6)依据步骤(1-1)至(1-5)获得的参数计算太阳辐照度的衰减因子IN和太阳有效辐照度Ieff，其计算公式为:
2.根据权利要求1所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(1-2)中，曲面拟合平面的具体方法如下: (1-2-1)将小面元中η个点拟合成的平面ζ的表达式为 z = b1+b2x+b3y 其中，h、b2和b3为待求系数，则有
3.根据权利要求2所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(1-4)的计算公式为:
4.根据权利要求3所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(1-5)的计算公式为: 当Θ i > Θ '时，
5.根据权利要求1所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(2-2)包括以下子步骤: (2-2-1)根据登月点实测和经验公式获得月壤密度P，具体采用以下公式:
6.根据权利要求1所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(2-3)具体为:根据能量守恒定律导出的一维热传导方程为:
7.根据权利要求1所述的起伏月面微波辐射亮温的计算方法，其特征在于，步骤(3)包括以下子步骤: (3-1)根据步骤(2)中获得月壤第i层的物理温度为Ti,复介电常数为sj=￡0(s'r -Jsi)获得月壤第i层的复波阻抗H j和复波数ki;计算公式如下:
【文档编号】G01J5/06GK103512663SQ201310419939
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】陈萍, 黄全量, 张莉娟, 何燕春, 王丛丛, 刘杰娜, 华蕾, 李青侠 申请人:华中科技大学