一种地外天体表面热惯量反演与验证方法与流程

本发明属地外天体表面探测，尤其涉及一种地外天体表面热惯量反演与验证方法。

背景技术：

1、已有地外天体表面探测中，对地形的识别和可通过性分析均基于可见光图像获取的表面几何特征。但单纯的可见光视觉测量易受光照和表面纹理的影响，造成对表面几何特征不明显危险地形(如易打滑/沉陷沙地)可通过性的误判，影响地外星表探测器通行的安全性。

2、热惯量是物质热特性的一种综合量度，反映了物质与周围环境能量交换的能力，也代表了表面物质对抗外界温度变化的能力，可以近似认为其代表表面物质的粒度。热惯量较高的物质昼夜温差较小，如石块(热惯量通常大于1200j·m-2·k-1·s-1/2)；热惯量较小的物质昼夜温差较大，如灰尘(热惯量通常小于150j·m-2·k-1·s-1/2)。在特定的表面气压条件下，由颗粒构成的地形的热惯量是颗粒大小、密度以及聚合程度的函数。而火星车行驶过程中，在疏松沙质地形中的可通过性与颗粒大小、密度及聚合程度强相关，表明车轮在行进中的深陷、滑移情况都与地形的热惯量相关。

3、利用火星表面热特性反演其内部地质特征，用于火星表面危险地形判断和火星车运动轨迹规划，是近年火星表面探测研究前沿。美国nasa、加州理工等进行了初步研究，但由于热惯量难以直接测量，目前均利用轨道器或车载热成像仪的测温数据计算热惯量，存在的主要问题是缺少对测量和计算效果的评估，热惯量的测算精度不能保证，影响基于热惯量对危险地形及可通过性判断的准确性。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种地外天体表面热惯量反演与验证方法，通过构建实验获取内部温度测量数据，并计算得到目标地物的热惯量，与利用热惯量理论计算模型和热成像仪表面测温数据的热惯量反演值进行对比，评估基于热成像仪测量数据的热惯量反演效果，并对反演模型进行校正，保证热惯量的计算精度，为地外天体表面危险地形识别及可通过性判断提供技术储备。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种地外天体表面热惯量反演与验证方法，包括：

4、选取n种不同材质地物作为目标，利用目标地物测点不同深度处的内部测温数据计算目标地物热扩散率dh，结合目标地物热容的实验测量值ch，获得每种目标地物热惯量的计算值pt；

5、利用目标地物的表面测温数据，获得每种目标地物的热惯量的估测值pc；

6、利用每种目标地物的热惯量计算值pt和每种目标地物的热惯量的估测值pc，拟合修正热惯量反演模型，获得修正后的热惯量反演模型。

7、优选地，所述获得目标地物热惯量的计算值pt的方法，具体为：

8、选取地表下方两处不同位置的深度(z1、z2)，获得两处位置在一个光周期tp内的i个温度值；

9、利用两处位置在一个光周期tp内的i个温度值，拟合获得目标地物热扩散率dh；

10、通过体积热容的测量实验，获得目标地物的热容ch；

11、利用获得的目标地物热扩散率dh和获得的目标地物热容ch，得到目标地物热惯量的计算值pt。

12、优选地，利用t型热电偶作为温度测量装置，获得两处位置在一个光周期tp内的i个温度值；

13、两处位置之间的深度差值不小于0.1米，且两处位置中深度最浅的位置深度不大于0.1米；或者，一个光周期tp内，两处位置的温差最大值不小于10℃。

14、优选地，拟合获得目标地物热扩散率dh的方法，具体为：

15、获得两处位置在一个光周期tp内的24个温度值，分别记温度测量数据为和

16、将温度测量数据和分为6组，每组对应z1和z2位置的4个时刻的温度测量数据；

17、则目标地物热扩散率dh具体为：

18、

19、

20、式中，ω＝2π/tp，k＝0,1,2,3,4,5。

21、优选地，获得目标地物的热容ch的方法，具体为：

22、选取体积为v的密闭绝热容器，该容器内装满目标地物，并且缠绕加热丝，通过功率为pc的电加热使容器内的目标地物升温，测量加热时间δt内目标地物的升温值δtc，并计算目标地物的热容ch如下：

23、

24、优选地，所述目标地物热惯量的计算值pt，具体为：

25、

26、优选地，获得目标地物的热惯量的估测值pc的方法，具体为：

27、21)计算热惯量理论计算模型中傅立叶级数的系数(a1，a2)；

28、22)根据表面温度测量数据，计算热惯量迭代求解的初值b0；

29、23)求解目标地物的热惯量的估测值pc。

30、优选地，热惯量理论计算模型中傅立叶级数的系数(a1，a2)，具体为：

31、

32、

33、ψ＝arccos(tanδ·tanα)

34、其中，α为当地纬度，δ为太阳赤纬。

35、优选地，获取目标地物测点表面位置在一个光周期tp内的表面温度测量数据ti,i＝0,1,2,23，筛选该光周期内的最高温度值得到最高温时刻tmax；

36、从一个光周期tp内的表面温度测量数据ti,i＝0,1,2,…23中，任意选取两个不相同的温度测量值，获得两个不相同的温度测量值对应的时刻为t1,t2，计算得到两个不相同的温度测量值对应温度差的绝对值

37、计算热惯量迭代求解的初值b0，具体为：

38、

39、ω＝2π/tp

40、

41、

42、式中，a为目标测点处的地表反照率，ct为大气透过率，s0为太阳常数；

43、根据如下以pc,b为未知变量的非线性方程，利用热惯量迭代求解的初值b0，采用牛顿迭代法求解得到目标地物热惯量的估测值pc：

44、

45、

46、

47、优选地，所述获得修正后的热惯量反演模型，具体为：

48、获得n种目标地物的热惯量计算值作为真实值，记为

49、获得n种目标地物的热惯量的估测值，记为

50、建立n种目标地物的热惯量真实值和n种目标地物的热惯量的估测值两组数据之间的线性模型如下：

51、

52、式中，k,c为待确定的定常参数；

53、基于数据利用最小二乘方法得到参数k,c的估计值

54、根据线性模型中参数k,c的估计值修正基于热成像仪表面测量数据的热惯量反演模型，获得修正后的热惯量反演模型，具体为：

55、

56、式中，p表示目标地物的热惯量。

57、本发明具有以下优点：

58、1)本发明包含一种地外天体表面不同地质目标热惯量的计算和反演方案，可实现基于内部测温数据的热惯量计算，以及基于热成像仪表面测温数据的热惯量求解。

59、2)本方法公开了一种地外天体表面热惯量验证方法，该方法可进一步提高基于热成像仪表面测温的热惯量反演模型的精度，仅通过表面温度测量识别目标地物内部特性提供了可行途径，为移动探测可通过性判断提供了更多信息。