發(fā)布時間：2017-12-22 12:08

  本文關(guān)鍵詞：寬溫度月表紅外光譜特性仿真及其評估技術(shù)　出處：《中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：作為地球唯一的衛(wèi)星,月球一直是人們太空觀測和探索最為關(guān)注的對象,對月探測也是深空探測的重中之重。近60年來,美、蘇(俄)、中、日、印等國家均發(fā)射了月球探測器,從各個方面深入研究和認(rèn)識月球。在對月球的研究中,月表礦物組成和成分分析是重要目標(biāo)之一,這也是未來合理利用月球資源的前提和基礎(chǔ)。紅外光譜分析技術(shù)是獲取月壤礦物組成和特定元素成分的有效手段,對月球的起源與演化研究以及月球資源的開發(fā)利用都具有重大價值。具體方法是通過探測器攜帶的光譜儀獲取月表的反射光譜信息,然后進(jìn)行反射率等物理參數(shù)的反演,進(jìn)而對月表物質(zhì)成分進(jìn)行判別和定量化計算。對月探測器攜帶的光譜儀中,典型的是美國研制的月球礦物質(zhì)譜繪圖儀(M3)和中國研制的嫦娥三號紅外光譜儀(VNIS),前者覆蓋400nm-3000nm的光譜范圍,后者覆蓋450nm-2400nm譜段范圍,兩者獲取的光譜數(shù)據(jù)提供了月表特定物質(zhì)分析的依據(jù)。為更有效地分析月表目標(biāo)的成分,應(yīng)用需要探測譜段的進(jìn)一步向紅外延伸,如嫦娥五號探測器擬配置的有效載荷月球礦物光譜分析儀的探測譜段已延長至3200nm。月球礦物光譜分析儀工作在月表寬溫度范圍內(nèi),其紅外通道III(光譜范圍2200nm-3200nm)所獲取的光譜數(shù)據(jù),不僅與儀器的溫度效應(yīng)相關(guān),同時也包括月面目標(biāo)因具有一定溫度而產(chǎn)生熱輻射的影響,需要解決與溫度相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題,才能滿足科學(xué)探測目標(biāo)及應(yīng)用需求,這也是本研究的主要內(nèi)容,具體工作和創(chuàng)新點如下:1.寬溫度月面混合光譜模型基于月面輻射情況,分析紅外通道III工作在寬溫度月表時光譜能量的傳輸模型,分析月面目標(biāo)反射太陽輻射能量模型和自身發(fā)射輻射能量模型,結(jié)合實際月面工作時兩個能量模型中各參數(shù)的取值范圍,定量化月面儀器入瞳處接收到的反射太陽輻射和自身發(fā)射輻射能量,在此基礎(chǔ)上建立儀器在寬溫度月面情況下工作時,入瞳處接收到的來自被探測目標(biāo)的混合光譜模型,這一工作不僅能為光譜探測系統(tǒng)的動態(tài)范圍設(shè)計提供依據(jù),同時也為后續(xù)月面目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)的物理參數(shù)反演提供前提和基礎(chǔ)�；�2200nm-3200nm譜段的月面探測是國內(nèi)的深空探測的首次實現(xiàn),因此,對于該譜段月面目標(biāo)的混合光譜模型的詳細(xì)研究和分析具有一定的創(chuàng)新性。2.儀器的精細(xì)定標(biāo)為了使月球礦物光譜分析儀紅外通道iii能夠在月面工作時,實現(xiàn)對被探測目標(biāo)輻射光譜能量的定量化探測,需要在實驗室對儀器進(jìn)行定標(biāo)工作。首先,分析了基于單色儀的光譜定標(biāo)方法和基于黑體標(biāo)準(zhǔn)輻射源的輻射定標(biāo)的可行性,然后,以月球礦物光譜分析儀紅外通道iii設(shè)計原理和實現(xiàn)方法為基礎(chǔ),搭建了能夠?qū)崿F(xiàn)2200nm-3200nm譜段光譜探測的模型樣機,性能參數(shù)與月球礦物光譜分析儀紅外通道iii保持一致,用于儀器定標(biāo)方案的驗證。定標(biāo)結(jié)果滿足工程要求,并已用于月球礦物光譜分析儀正樣件的定標(biāo)工作中,這部分工作具有一定的工程應(yīng)用價值。3.溫度特性分析和校正月面寬溫度環(huán)境下,儀器在軌工作時自身溫度會與實驗室條件下有一定差異,因儀器內(nèi)部溫度敏感器件的存在,導(dǎo)致同樣的入射光譜能量,儀器在軌工作和實驗室工作兩種工況下產(chǎn)生不同的光譜響應(yīng),為了使紅外通道iii實驗室下的輻射定標(biāo)結(jié)果能夠適用于深空寬溫度工況,本文分析了紅外通道iii的系統(tǒng)溫度特性,在對其紅外探測器和射頻功放溫度特性分析及試驗驗證的基礎(chǔ)上,建立了寬溫度環(huán)境下月球礦物光譜分析儀紅外通道iii的溫度校正數(shù)學(xué)模型。其中月球礦物光譜分析儀紅外通道iii使用的探測器為hgcdte探測器,嫦娥三號紅外成像光譜儀未使用此類探測器,因此,本文建立的探測器溫度特性分析和校正方法具有一定的創(chuàng)新性。4.反射率光譜特性反演月面目標(biāo)的反射率光譜特性是月面探測的主要目標(biāo)和關(guān)鍵環(huán)節(jié),根據(jù)建立的月面混合光譜模型,提出了利用熱輻射去除獲取反射率光譜特性的反演算法,并進(jìn)行了相關(guān)的地面驗證試驗,包括實驗室條件下被探測目標(biāo)不含有溫度因素的光譜數(shù)據(jù)獲取和被探測目標(biāo)含有溫度因素的光譜探測數(shù)據(jù)獲取。前者的光譜模型中只含有反射輻射光譜能量,以漫反射金板作為參考板即可通過簡單的計算得到反射率光譜特性,其目的既是為了通過對比月球礦物光譜分析儀紅外通道iii和標(biāo)準(zhǔn)儀器得到的被探測目標(biāo)反射率光譜結(jié)果來進(jìn)行儀器的性能評估,也是為了給算法的驗證提供對被探測目標(biāo)反射率光譜特性上的先驗知識。通過被探測目標(biāo)含有溫度因素的光譜探測數(shù)據(jù)獲取試驗部分,利用熱輻射去除算法對樣品反射率光譜特性進(jìn)行反演分析,給出了結(jié)果和討論分析,為紅外通道iii的在軌光譜數(shù)據(jù)處理供借鑒和思路,該部分工作內(nèi)容不僅具有重要的工程應(yīng)用價值。也具有一定的創(chuàng)新性。本文的研究內(nèi)容為月球礦物光譜分析儀紅外通道III在寬溫度月表的應(yīng)用提供了相關(guān)的解決方案,并在最后給出了一些不足的地方和對未來研究的展望和建議。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【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：1319457