發(fā)布時間：2018-03-31 09:22

  本文選題：月球　切入點：溫度　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：月球是深空探測的起點,它可以為人類提供豐富的資源,對月球進(jìn)行探測不僅可以利用這些資源并且還可以了解月球演化史,為人類進(jìn)一步了解宇宙提供更多寶貴信息。月表縱向溫度分布是探月的科學(xué)目標(biāo)之一,通過它不僅可以得到月球熱流信息,還可以提取古太陽輻射的歷史信息,揭示古太陽輻射變化規(guī)律。古太陽輻射變化規(guī)律可以作為分析太陽輻射對地球氣候影響的重要依據(jù),對研究地球全球氣候變化問題具有重要的意義。本文研究月表縱向溫度分布的遙感探測方法,首先建立了月表的微波輻射和散射模型;然后根據(jù)實測數(shù)據(jù),分析了月球永久陰影區(qū)的亮溫分布特征。為了實現(xiàn)月表縱向溫度分布探測的目標(biāo),重點討論了如何利用多頻微波輻射亮溫進(jìn)行溫度剖面的反演。最后,搭建了散射測量系統(tǒng)并設(shè)計了用于散射測量的天線,在微波暗室對模擬月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散射測量。本文的研究工作主要包括以下幾個內(nèi)容:為了了解月表的微波輻射和散射特性,需要建立輻射和散射模型。本文首先提出了一種改進(jìn)的IEM2Mc方法,用于計算粗糙月表的電磁散射問題,該方法主要特點在于在基爾霍夫表面場項中保留了完整的表面電流項和采用過渡模型來預(yù)測菲涅爾反射系數(shù),在入射角或者散射角偏大時可以更好地估計散射系數(shù)。計算結(jié)果顯示,當(dāng)散射角大于60度后,改進(jìn)和未改進(jìn)前的結(jié)果差別會越來越大。將改進(jìn)的IEM2Mc方法和非相干方法進(jìn)行混合,用于計算月表多層結(jié)構(gòu)的微波輻射亮溫,表面的發(fā)射率通過改進(jìn)的IEM2Mc方法得到,表面下的多層結(jié)構(gòu)的輻射亮溫則由非相干方法得到。此外,還利用非相干方法建立了多層模型用于分析輻射計埋入月壤內(nèi)時輻射計上部物質(zhì)輻射亮溫與輻射計接收到的總亮溫的關(guān)系,仿真的結(jié)果顯示在零度角時上部的輻射貢獻(xiàn)極其小。利用嫦娥二號的微波亮溫數(shù)據(jù)和LRO探測器的紅外亮溫數(shù)據(jù),分析了月球南極永久陰影區(qū)Shoemaker、Haworth撞擊坑的微波和紅外亮溫分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)永久陰影區(qū)內(nèi)微波和紅外亮溫隨時間變化不一致的現(xiàn)象,即紅外亮溫會隨時間持續(xù)降低,而微波亮溫則在2011年3月后下降變緩甚至有上升趨勢。隨后,利用熱傳導(dǎo)模型和微波輻射模型解釋了這一異�，F(xiàn)象,同時利用假設(shè)的線性溫度函數(shù)對Shoemaker地區(qū)進(jìn)行了溫度剖面反演,發(fā)現(xiàn)線性溫度函數(shù)并不能解釋永久陰影區(qū)全年的變化情況。當(dāng)遙感設(shè)備位于月表上時,從輻射計探測深度的兩種定義方式出發(fā),分別計算了探測10米以上溫度信息所需要的探測頻率,并進(jìn)一步給出內(nèi)部極小溫度波動時,對應(yīng)所需的輻射計靈敏度。利用微波輻射模型計算了多頻反演時的權(quán)值函數(shù),采用先驗約束法對月表縱向溫度剖面進(jìn)行了反演,反演時分別考慮了微波輻射計置于月表上方和埋入月壤內(nèi)部時兩種情況,結(jié)果顯示埋入月壤內(nèi)部時反演的效果更好。搭建了頻率步進(jìn)的散射測量系統(tǒng)并設(shè)計了用于散射測量的天線,設(shè)計的天線是準(zhǔn)八木結(jié)構(gòu)的微帶天線,可以工作在兩個頻段。天線可以組成天線陣,在陣列中天線之間引入蛇形細(xì)槽結(jié)構(gòu)以降低互耦。將天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成頻率步進(jìn)的微波散射測量系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)計算出模擬月壤的介電常數(shù),進(jìn)一步驗證了天線性能和散射計測量系統(tǒng)的可行性,同時說明散射測量可以給縱向溫度探測提供介電常數(shù)和月壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
[Abstract]:The moon is the starting point of deep space exploration, it can provide rich resources for mankind, lunar detection can not only can understand the evolution and use of these resources, provide more valuable information for further human understanding of the universe. The lunar surface longitudinal temperature distribution is one of the scientific objectives of the moon, it can not only get the moon through the heat flow information. You can also extract the ancient solar radiation history information, reveal the variation of solar radiation. The solar radiation variation can be used as an important basis for the analysis of solar radiation of the earth's climate, has important significance to study the earth's global climate change. The research of lunar remote sensing detection method of longitudinal temperature distribution, firstly microwave radiation and scattering model the table was set up; then according to the measured data, analysis of the brightness temperature distribution characteristics of the permanently shadowed area. In order to achieve The lunar surface longitudinal temperature distribution detection target, discussed how to use the inversion of multi frequency microwave radiation temperature profile. Finally, build a measurement system for antenna scattering and scattering measurement is designed, in the microwave darkroom and simulated lunar soil structure by scattering measurements. The main research work of this paper includes the following contents in order to understand the lunar surface microwave radiation and scattering characteristics, need to establish radiation and scattering model. This paper proposes an improved IEM2Mc method for calculating electromagnetic scattering problems of rough surface, the main method is characterized in that the Kirchhoff surface field in retaining the integrity of the surface current and the transition model to predict Finel the reflection coefficient, when the incident angle or angle scattering can better estimate the scattering coefficient. The calculation results show that when the scattering angle is greater than 60 degrees, and improvement Improve the difference between the results will be more and more. The improved IEM2Mc method and a non coherent mixing method, used to calculate the brightness temperature of lunar surface microwave radiation multilayer structure, surface emissivity by improved IEM2Mc method, radiation multilayer structure under the surface brightness temperature by non coherent method. In addition, also the use of non coherent method to establish the multi-layer model is used to analyze the relationship between the total radiation brightness temperature meter upper material radiation brightness temperature and radiation received by the radiometer embedded within the lunar soil, the simulation results show that the contribution of radiation in the upper part of the zero angle is extremely small. The infrared brightness temperature data and LRO detector using microwave Chang'e two the brightness temperature data, analysis of the Shoemaker pole of the moon permanently shadowed craters, microwave and infrared Haworth brightness temperature distribution, found permanent in the shadow areas of microwave and infrared brightness temperature changes with time inconsistent The phenomenon, namely the infrared brightness temperature will continue to decrease over time, while the microwave brightness temperature in March 2011 after falling slowly even rise. Then, using the model of radiation heat conduction model and microwave to explain this abnormal phenomenon, at the same time using the linear function of temperature on the Shoemaker region of the assumed temperature profile inversion, linear the temperature function does not explain the changes of annual permanent shadow area. When the remote sensing equipment located on the lunar surface, starting from the two kind of definition of radiometer detection depth, detection frequency detection of 10 meters above the temperature required information are calculated respectively, and further gives the minimum internal temperature fluctuation, radiation corresponding to the required sensitivity the weight function. Multi frequency inversion calculation using microwave radiation model, using a priori constraint method for the inversion of surface longitudinal temperature profile inversion are considered micro Wave radiometer in lunar regolith above and buried inside the two case, the results show better effects in lunar internal inversion. Scattering measurement system is built step frequency and designed for antenna scattering measurement, design of antenna structure is quasi Yagi microstrip antenna, can work in two frequency bands the antenna can be. Antenna array composed of serpentine cannelure structure is introduced between the array antenna to reduce mutual coupling. The microwave scattering measurement system of the antenna and the Vector Network Analyzer composition step frequency, and calculate the dielectric constant of quasi mode of lunar regolith based on measurement data of the system, in order to verify the feasibility of the performance of the antenna and scattering. The measurement system, and explain the scattering measurements can give the longitudinal temperature detection of dielectric constant and regolith internal structure information.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P184.5

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本文編號：1690116