基于车载微波辐射计的地面观测试验方法

微波遥感具有全天时全天候的优点,并对云雾、雨雪和植被等有一定的穿透能力。地基微波辐射计以机动灵活的方式接收地表在微波波段的电磁辐射特性,被广泛用于土壤水分、冻融过程等微波遥感定量试验中。以车载多通道双极化微波辐射计(RPG-6CH-DP)为例,针对不同植被覆盖地表,在内蒙古多伦地区开展了为期3个月的野外观测试验,获得了L(1.4GHz)、C(6.925GHz)、X(10.65GHz)三个频率下的极化亮温观测数据。结果发现,L波段对植被的穿透能力最强,对土壤水分变化最敏感。微波辐射计观测地物的方位角、入射角均对观测亮温有直接影响。这为解译地物微波辐射传输过程及其相互作用机理、各种理论模型的发展和验证、地表参数反演算法的改进,以及相关地球观测卫星计划的载荷方案论证奠定了基础。     

微波辐射计静止轨道遥感试验技术

在地球静止轨道上对大气进行微波遥感探测尚无先例。为验证静止轨道微波探测仪器关键技术,研究高轨微波辐射传输特性并积累遥感数据,研制了微波探测试验载荷,搭载于风云四号A星进行在轨试验。微波探测载荷采用真实孔径圆周扫描体系,配置双频段(183,425 GHz)五通道。载荷在轨试验中,各项指标正常,183GHz频段灵敏度优于0.5K,425GHz灵敏度优于1.9K,性能稳定并超过3个月考核寿命。对微波探测载荷183GHz与极轨载荷先进技术微波辐射计(advanced technology microwave sounder,ATMS)进行亮温交叉比对的结果显示,两者亮温相近,变化趋势一致,验证了探测数据的有效性。载荷还在静止轨道获取了极轨无法探知的3K/h量级亮温变化,并在风云四号A星姿态调整期间完成了静止轨道微波遥感成像。验证了在静止轨道上进行真实孔径体制微波遥感探测的有效性。     

月球坑内空间环境热流的分布研究

文章推导获得了月面阳光矢量和月球坑内探测器表面关系的表达式,采用蒙特卡罗法数值计算探测器各表面的辐射热流,分析了月球坑内环境辐射热流的分布特征。讨论了月面纬度、月球坑尺寸、月面发射率等参数对探测器表面热流的影响。计算表明:月面纬度增加及月球坑坑口半径的减小均会导致某些时刻阳光无法照射到坑底,从而与其他工况有较大的计算差别,两参数对探测器各面热流的影响规律不同;月面发射率对探测器表面热流的影响作用较大,增加月面发射率能明显降低探测器某些表面的辐射热流。     

月球轨道目标表面月球红外辐射热流精细计算方法研究

基于月球表面对月球轨道目标表面红外辐射热流的积分计算公式,结合坐标转换和向量运算,采用离散化处理,提出了月球轨道目标表面月球红外辐射精细计算方法。采用均匀模拟法选取月面微元,分析月表红外热流的特点,考虑目标面元空间几何关系和轨道参数,该算法可获得较高的计算精度,较真实地模拟月球红外热流,且有通用性,适于任意星体、任意轨道、任意几何形状目标的星体红外辐射热流的计算。计算结果分析表明,月球红外辐射与地球红外辐射有较大的差异,热控设计时需充分考虑。     

开发月球车用的月表环境的地面模拟方法研究

当前中国正在进行自己的探月工程,预计将会发射月球车登陆月球表面.在研制月球探测器过程中,为了在地面验证月球车的可靠性和各项功能(如着陆冲击、自主巡航和遥控),必须建立相应的地面试验中心.根据目前对月球表面环境的认识和现有的仿真技术,文章提出了实现月表综合环境模拟的试验设施的设想.由于月球表面环境非常恶劣并且月表的地形也非常复杂,文章提出了一种组合式月表环境模拟器的设想.主要部分是模拟各种月貌特征(如陨石坑、斜坡、沟壑等)的可移动单元.每个单元是一个用模拟月壤制作的小沙盘,其化学成分、组成颗粒分布和力学性能和已经获取的真实月壤样品相似.根据不同的试验要求,选择相应的单元按照一定的规律组合成为试验场.这样在有限的场地面积内可以按需实现对月表不同地域的地貌特征模拟.同时,可以选择少量单元的组合构成更小规模的试验场,以方便与其它环境模拟器(如落塔,热/真空容器等)联合,实现模拟月表的综合环境.     

月球表面温度的数值模拟

通过月球天文计算,建立了以太阳辐射、月球辐射和太阳反照参与的月球表面辐射系统模型,并考虑了月球表面从周围通过导热传入的热量,从而可以模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度.模拟结果表明,随着纬度升高,月球表面太阳辐射强度降低,月球表面的温度也随之降低.月面温度变化周期一般为约29天;受月球的黄赤夹角影响,在纬度为90°时,温度变化周期约为178天.建立的月球表面温度模型,与较缺稀的月球实测资料进行了比较,表明本模型可较准确的模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度,为探月设备的热设计与热控制提供研究基础.     

基于月球观测的"高分四号"卫星相机在轨MTF测试

针对"高分四号"(GF-4)卫星在轨调制传递函数(MTF)测试,提出了一种从月球观测试验获得的月球图像中提取刃边目标进行计算的方法。月球表面与宇宙暗背景形成的对比强烈的刃边特征是比较理想的阶跃函数。倾斜刃边法是基于阶跃函数开发的MTF测试方法,在航天光学遥感领域得到了广泛应用。文章对倾斜刃边法进行改进,将月球边缘近似为圆处理,利用一阶梯度算子(Sobel operator)提取圆形刃边,开发适用于圆形刃边的MTF算法。将改进后的算法应用于GF-4卫星对月图像,获取在轨MTF,并与实验室测量结果进行了对比:在B2～B5谱段,测试结果均值与地面测试结果分别相差5.6%、3.7%、11.1%、2.5%。在此基础上,对误差来源、测量结果的差异性进行了分析说明。     

星载微波传感器大气温湿度物理反演算法研究

针对我国下一代静止轨道微波探测器资料应用的需求,对微波50~60GHz和183GHz的温湿遥感通道开展了不同大气条件下探测敏感高度的模拟,发现大气散射对微波探测影响明显,尤其是近地面通道,在未来数据应用时需加以注意。提出一种基于一维变分的大气温湿度廓线物理反演算法。以美国最新一代气象卫星Suomi NPP搭载的ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)获取的观测资料为研究对象,RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式为前向算子,利用一维变分算法开展了温湿度廓线反演单点试验。研究发现:地表参数对微波亮温,尤其是地面通道影响较大。同时,反演所需背景场对反演结果影响较明显,反演所得温度与背景场较接近。     

从《月球协定》看"嫦娥"探月之意义

我国第一个月球探测器"嫦娥一号"环月轨道器已发射成功,顺利进入环月轨道,建立了我国空间技术发展的第三个里程碑.我国已成为国际月球俱乐部的成员,必将对人类探索、开发和利用月球做出自己的贡献.国际上早就有一个外空条约叫《月球协定》,这个协定同我国正在实施的月球探测活动会有什么关系呢?本文试图通过对《月球协定》的分析,探讨我国实施月球探测的意义.     

日本"辉夜姬"月球探测器的有效载荷

日本的"辉夜姬"月球探测器(SELENE,也译作"月女神")是阿波罗时代之后最复杂的月球探测任务。"辉夜姬"包括主轨道器和两颗子卫星。主轨道器用于观测月球表面的元素和矿物分布、表面和亚表面结构、     

天线形变对风云卫星遥感图像的影响

为探究反射面天线形变对风云卫星毫米波和亚毫米波成像仪(MMSI)的亮温图像质量的影响,运用基于表面电流积分的物理光学方法计算天线辐射方向图,探究不同形式反射面天线形变下天线辐射特性的变化规律。结合MMSI的亮温图像的处理结果,评价图像质量的变化。实验结果表明:反射面天线的形变面积、形变位置和副反射面晃动发生变化时,天线的主瓣增益、副瓣电平和波束宽度等关键指标发生规律性变化,对MMSI的亮温图像质量产生不同形式的影响。当反射面天线的形变面积增大时,天线的主瓣增益减小,副瓣电平升高,进一步导致分辨率降低,噪声水平升高,亮温图像质量变差。     

Diurnal change of MW and IR thermal emissions from lunar craters with relevance to rock abundance

Abnormal “hot spots” during a total eclipse on the lunar surface were revealed by using a ground based infrared (IR) scanner and visible telescope in the early 1960s, which turned out to be “cold spots” on the microwave (MW) brightness temperature distribution at night according to the Chang'E (CE)-1 radiometer's observations. In this paper, a theoretical analysis of radiative transfer is presented to explain this abnormal phenomenon of diurnal changes. Two typical craters, representing the abnormal fresh craters rich in rock abundance and an old one almost free of rocks located at similar latitudes are chosen for comparison of the diurnal temperature change. Using the measurements of CE-1 multi-channel microwave radiometer, brightness temperatures from these two craters are presented and applied to inversions of the physical temperatures of lunar regolith media, based on a three-layer radiative transfer model. The correlation between the diurnal MW and IR thermal changes of the lunar surface and the rock abundance is discussed.     

An inversion approach for lunar regolith layer thickness using optical albedo data and microwave emission simulation

An approach to inversion of the lunar regolith layer thickness by using multi-channel brightness temperature observation in passive microwave remote sensing is developed. To first make simulation of brightness temperature from the lunar layered media, the lunar regolith layer thickness (d) is proposed being constructed by available lunar DEM (digital elevation mapping) and on site measurements. The physical temperature distribution (T) over the lunar surface is also empirically assumed as a monotonic function of the latitude. Optical albedo of the lunar nearside from the telescopic observation is employed to construct the spatial distribution of the FeO+TiO₂ content (S) in the lunar regolith layer. A statistic relationship between the DEM and S of the lunar nearside is further extended to construction of S of the lunar farside. Thus, the dielectric permittivity (ε) of global lunar regolith layer can then be determined. Based on all these conditions (d,T,ε), brightness temperature of the lunar regolith layer in passive microwave remote sensing, which is planned for China's Chang-E lunar project, is numerically simulated by a parallel layering model using the strong fluctuation theory of random media.Then, taking these simulations with random noise as observations, an inversion method of the lunar regolith layer thickness is developed by using three- or two-channels brightness temperatures. When the S is low, and the four channels brightness temperatures in China's Chang-E project are well distinguishable, the regolith layer thickness and physical temperature of the underlying lunar rock media can be inverted by the three-channels approach. When the S becomes high that the brightness temperature at high frequency channels such as 19.35, 37 GHz are saturated, the regolith layer thickness is alternatively inverted only by the two-channels approach.Numerical simulation and inversion approach in this paper make an evaluation of the performance for lunar passive microwave remote sensing, and for future data calibration and validation.     

夜气辉对天基光学碎片探测的影响分析

设计并完成了夜气辉背景下的天基碎片观测试验，获取了综合谱段的观测数据。基于观测数据进行夜气辉的辐射特性及其对天基碎片探测的影响分析。结果表明，夜气辉辐射随纬度和高度呈现一定的分布特点，这些特点均符合夜气辉的理论分布规律。在约90 km处辐射最强，亮度可达到单位积分时间每平方角秒近15星等，这对恒星及碎片提取概率影响较大，其中，13等星的提取概率仅为40.5%。     

星载微波辐射计的天线方向图校正和亮温计算

在简要介绍星载微波辐射计周期定标技术基础上,着重分析了外部周期定标技术,采用天线方向图校正技术进行了误差分析,对“冷”、“热”定标源进行了计算,提出了提高星载微波辐计定标精度的措施。     

低太阳高度角月球影像的陨石坑自动提取方法

陨石坑是月球表面最重要的地形特征,对于研究月球的地质状况和地理状况具有重要的意义。充分考虑低太阳高度角影像中陨石坑特殊的拓扑结构和灰度分布特点,提出一种新的基于光照方向的陨石坑边缘连接方法,综合边缘线判别、边缘线组合、陨石坑判别的陨石坑筛选三步法,形成一套完整的低太阳高度角月球影像陨石坑自动提取流程。用低太阳高度角Lunar Orbit影像进行实验,检测成功率达到了73.9%,表明该方法对于低太阳高度角月球影像陨石坑的自动提取有较好的适用性。     

基于深度学习的毫米波和亚毫米波成像仪的图像增强技术

风云四号卫星毫米波和亚毫米波成像仪(MMSI)数据根据采样方式分为过采样和非过采样数据。由于采样方式的影响,非过采样数据在采样过程中会有一定的信息损失。为解决采用简单的线性插值方法做精细化处理时提升精度有限问题,采用基于深度学习的方法增强MMSI亮温图像,设计卷积神经网络重建风云四号卫星MMSI的亮温图像和风云三号卫星微波成像仪亮温图像。实验结果显示:相比传统的双三次插值方法,在风云三号卫星微波成像仪亮温图像样本上峰值信噪比提升了1.13dB,结构相似度提升了0.01。实验结果表明:对于非过采样亮温数据,采用基于深度学习的方法增强图像具有更高的精度,同时可在其他微波探测仪数据中使用,具有很强的普适性。     

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。