嫦娥一号干涉成像光谱仪数据处理和Aristarchus地区着陆点选择

摘要

中国月球探测工程分为“绕”、“落”、“回”三期。一期绕月探测工程首颗月球轨道探测器嫦娥一号于2007年10月成功发射，它所搭载的Sagnac型干涉成像光谱仪首次应用于月球探测，其主要科学目标为识别和反演月球表面矿物成分，分析铁(FeO)和钛(TiO2)元素含量分布。嫦娥一号在轨运行期间，干涉成像光谱仪获取了月球表面480-960nm之间32个谱段、空间分辨率200m/pixel的多光谱数据，其入射角、出射角和太阳相角范围分别为0-80度、0-7度、0-80度，覆盖南北纬70度以内84％的区域。干涉成像光谱仪原始数据经一系列预处理流程生成2A级辐亮度光谱图像;为与其他对月观测和实验室测量数据比较，消除光照-观测几何和太阳光谱特征对矿物识别和铁钛含量分析影响，我们根据干涉成像光谱仪特性和已发布数据状况，提出2A级辐亮度数据光度校正和反射率转换方法。二期和三期月球探测工程计划向月球发射软着陆器和巡视器，进行月球表面就位和巡视探测与样品返回;我们综合分析Aristarchus地区成分数据，表明其作为着陆点具有重要科学意义。
　　在干涉成像光谱仪数据光度校正中，我们分块提取2A级辐亮度光谱和相应太阳光照-观测几何，分别拟合Lommel-Seeliger和Hapke光度模型，建立月球表面辐亮度与入射角、出射角和太阳相角之间函数依赖关系，然后根据所得光度模型将2A级辐亮度数据归一至Brown University Keck/NASAReflectance Experiment Laboratory（RELAB）实验室月球样品光谱测量标准几何条件。Lommel-Seeliger光度模型相函数采用四次多项式，并加入指数项以考虑opposition effect;由最小二乘法计算模型参数时，使用基于Levenberg-Marquardt算法的MPFIT程序分段拟合，避免不分段拟合在相角接近于零时相函数下降。Hapke光度模型中，根据干涉成像光谱仪数据谱段和太阳相角范围，我们不考虑多次散射、热辐射和表面粗糙度，相函数只包括后向散射Henyey-Greenstein函数，opposition effect采用shadow-hiding项;由最小二乘法计算模型参数时，使用Differential Evolution算法搜索参数空间，使拟合结果不依赖参数初值选择。
　　在干涉成像光谱仪数据反射率转换中，我们选取2225轨数据位于平坦、均匀的Cayley Plains中的一块区域作为定标点，地基望远镜和Clementine UVVIS相机观测都表明其光学性质可由Apollo16成熟月壤样品62231代表。干涉成像光谱仪2A级数据光度校正后每一像素辐亮度与定标点辐亮度之比乘以Apollo1662231成熟月壤样品反射率即将辐亮度数据转换为反射率。
　　Aristarchus地区位于月球正面西北部西经30-70度、北纬10-48度之间，包括Aristarchus撞击坑和高原、Lichtenberg撞击坑及Gruithuisen穹窿(GruithuisenDomes)。我们分析这一地区铁和钍元素含量混合趋势，推测Aristarchus撞击坑所暴露非月海岩石代表风暴洋KREEP地体中与晚期侵入活动有关的成分端元;根据图像数据和已有研究结果，表明这一地区存在火山碎屑沉积、月溪和穹窿等多样的火山特征，及稀有月球样品，如硅质火山物质。
　　干涉成像光谱仪2A级辐亮度数据分块提取并除以Lommel-Seeliger因子校正临边昏暗效应后，在太阳相角-辐亮度二维直方图中明显分为对应月球表面月海和高地的两组数据。分块提取数据分段拟合Lommel-Seeliger光度模型结果表明，不同相角分段间断点产生的拟合曲线在20°-75°相角范围内差别不大;通过对比同一地区不同太阳光照-观测几何的两次覆盖图像检验光度校正效果，初步结果表明二者光度校正后辐亮度偏差在干涉成像光谱仪地面定标实验允许误差范围内。Hapke模型光度校正因子与最近USGS Robotic Lunar Observatory(ROLO)数据拟合Lommel-Seeliger模型光度校正结果相符。干涉成像光谱仪反射率数据与Clementine UVVIS750 nm和900 nm反射率数据对比表明，二者相对偏差一般在10％以内。Aristarchus高原多样的火山特征、Lichtenberg撞击坑附近月海玄武岩年龄和Gruithuisen穹窿火山活动使Aristarchus地区着陆探测具有重要科学价值;Aristarchus撞击坑抛出物代表月壳化学分异程度最大的物质，对理解月球热运动具有重要意义。

目录

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摘要

第一章 引言

第二章 可见-近红外反射光谱学

2．1 概述

2．2 均匀介质中的电磁波传播

2．2．1 波动方程及平面波解

2．2．2 平面波反射和折射

2．2．3 平面波吸收

2．2．4 几何光学

2．2．5 热辐射

2．3 可见-近红外反射光谱学

第三章 嫦娥一号干涉成像光谱仪数据处理

3．1 概述

3．2 干涉成像光谱仪

3．2．1 原理及参数

3．2．2 在轨运行

3．2．3 数据产品

3．3 干涉成像光谱仪数据光度校正

3．3．1 概述

3．3．2 光度模型

3．3．3 数据提取

3．3．4 Lommel-Seeliger模型拟合

3．3．5 Hapke模型拟合

3．3．6 光度校正及验证

3．4 干涉成像光谱仪数据反射率转换和验证

3．4．1 概述

3．4．2 反射率转换和验证

第四章 Aristarchus地区着陆点选择

4．1 概述

4．2 Aristarchus撞击坑

4．3 Gruithuisen穹窿

4．4 Lichtenberg撞击坑

4．5 小结

第五章 结论

附录

参考文献

致谢

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