月球若干地区微波辐射特征研究

我国"嫦娥一号"探月卫星搭载的微波探测仪（Chang’e Lunar Microwave Sounder-CELMS）为认识月球提供了新的视角。利用CELMS 的多波段微波遥感数据，研究了月球的微波辐射特征。基于微波辐射传输理论，采用不同时段不同频段微波亮温数据的定量对比、统计分析等方法，首先分析月球微波辐射宏观分布规律及影响因素，在此基础上，重点研究几个区的微波辐射特征，通过从面到点的微波辐射特征研究，为认识月球提供微波辐射特性方面的资料。研究结果显示:月球的微波辐射具有显著的时、空、频差异性；太阳辐射是月球表层及次表层微波辐射的重要影响因素；局部地区微波辐射差异很大，除太阳辐射影响外，与物分、地形、结构等其它因素的相关程度增强。这些微波特征显著不同于光学特征，结合起来，有助于进一步揭示月球的物化性质。

1、引言

随着科技的发展，人类从肉眼观测到采用各种遥感手段进行月球遥感探测，对月球的认识逐渐深入。但截至今天，由于受技术、通讯等原因的制约，月球探测活动还主要集中在月球的正面和表层，人类对月球的认知还很初步。如对月球地形地貌、内部构造及其如何形成的认识，至今仍不能找到充足的科学依据；对于月球矿物的研究，至今仍在不断继续且还未对月球元素丰度作出全面的测量；对月球上是否有水和哪里有水，至今还不能断定。尽管Apollo等登月任务曾经对月表进行直接采样，但由于采集到的样品较少，不具备完全的代表性，给科学家研究月球带来了很大的局限性。另外，截至嫦娥卫星上天，国际上对于月球的遥感探测多为光学数据，使用微波探测月球还不多见。

20 世纪60 年代，有人在地球上观测月球波长为0. 4～70 cm 和69. 8～406. 5 cm 的辐射亮度温度，但是受分辨率和地基观测限制，只给出月球正面在地基观测时的平均辐射亮度温度，对于局部地区的分辨不够，更无法给出月球背面的辐射亮度温度分布。Bondarenko 和Shkuratov 曾试用地基雷达及光学数据反演月球正面大尺度范围内的月壤厚度，但是，对月球背面的研究没有涉及。

日本发布了Selene卫星对月球背面的观测情况，并揭示了一些新的重力异常区。这些异常区补充了原有研究发现的月球的质量密集区域"mascon（mass concent rations）"。但总的来讲，月球对人类而言，还有许多问题亟待探索和研究。"嫦娥一号"搭载的微波探测仪（CELMS）是世界上首次利用微波频率在月球轨道上对月球进行探测，获取了全球多通道微波遥感数据，为研究正面和背面月球提供了新的视角和较为充足的数据。

本文主要根据"嫦娥一号"的多波段微波遥感数据，对月球的微波辐射特点进行多尺度分析，总结月球多尺度上的微波辐射特性，为进一步认识月球提供科学依据。首先研究月球的微波辐射宏观分布特征及其影响因素，在此基础上，对一些局域在微波段的辐射特征进行分析，并结合月球的有关资料、光学、高程数据等，通过多通道微波亮温的对比，总结月球宏观与局部的微波遥感辐射规律，从而为进一步认识月球及月球的特殊区域提供微波辐射特性方面的资料，为下一步探测月球，以及进一步开发和利用月球提供基础和依据。

2、数据准备与预处理

本论文所采用的主要数据有，"嫦娥一号"微波探测仪（CELMS）4 个频率的亮温数据， 包括3GHz、7. 8 GHz、19. 35 GHz 、37 GHz。时间段为2007 年12 月5 日至2007 年12 月31 日。该数据已经经过原始信号数据到天线温度、地面亮温数据的处理，包括考虑并滤除冷空背景其它星体照射的影响，经过非线性校正、交叉极化校正等过程。另外，本文还采用了美国地质调查局（U. S. Geological Survey ，USGS）的Clementine750 nm 全球光学数据及其月球高程（DEM）数据。

本文在数据分析的过程中，将所有数据进行了空间配准，并转换到统一的处理框架下，以利于不同数据的综合分析。

3、月球微波辐射宏观分布

3. 1、月球微波辐射宏观特征

在文献中已经给出了全球的微波亮温图示，并给出了初步分析结果。本文在此基础上，通过定量对比、统计分析等方法，进一步研究本次获取的微波辐射数据，揭示月球微波辐射特征。主要得到如下几个认识：

（1）、从全月看，对于4 个频率，无论昼夜，月球的亮温变化同纬度圈大致呈一致分布，从赤道到两极逐渐降低。而在赤道及低纬度地区，亮温还与其所处的经度位置存在一定的关系。亮温等值线图可以清晰展示这一点。图1 标出了3 GHz 的亮温等值线。

图1、全月3 GHz 的亮温等值线

（2）、相同时段不同频率的月球微波辐射不同。如在白昼，全球4 个频率的均值分别为200 K、206K、214 K