宽温度月表红外光谱特性仿真及其评估技术

发布时间：2017-12-22 12:08

  本文关键词：宽温度月表红外光谱特性仿真及其评估技术　出处：《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：作为地球唯一的卫星,月球一直是人们太空观测和探索最为关注的对象,对月探测也是深空探测的重中之重。近60年来,美、苏(俄)、中、日、印等国家均发射了月球探测器,从各个方面深入研究和认识月球。在对月球的研究中,月表矿物组成和成分分析是重要目标之一,这也是未来合理利用月球资源的前提和基础。红外光谱分析技术是获取月壤矿物组成和特定元素成分的有效手段,对月球的起源与演化研究以及月球资源的开发利用都具有重大价值。具体方法是通过探测器携带的光谱仪获取月表的反射光谱信息,然后进行反射率等物理参数的反演,进而对月表物质成分进行判别和定量化计算。对月探测器携带的光谱仪中,典型的是美国研制的月球矿物质谱绘图仪(M3)和中国研制的嫦娥三号红外光谱仪(VNIS),前者覆盖400nm-3000nm的光谱范围,后者覆盖450nm-2400nm谱段范围,两者获取的光谱数据提供了月表特定物质分析的依据。为更有效地分析月表目标的成分,应用需要探测谱段的进一步向红外延伸,如嫦娥五号探测器拟配置的有效载荷月球矿物光谱分析仪的探测谱段已延长至3200nm。月球矿物光谱分析仪工作在月表宽温度范围内,其红外通道III(光谱范围2200nm-3200nm)所获取的光谱数据,不仅与仪器的温度效应相关,同时也包括月面目标因具有一定温度而产生热辐射的影响,需要解决与温度相关的关键技术问题,才能满足科学探测目标及应用需求,这也是本研究的主要内容,具体工作和创新点如下:1.宽温度月面混合光谱模型基于月面辐射情况,分析红外通道III工作在宽温度月表时光谱能量的传输模型,分析月面目标反射太阳辐射能量模型和自身发射辐射能量模型,结合实际月面工作时两个能量模型中各参数的取值范围,定量化月面仪器入瞳处接收到的反射太阳辐射和自身发射辐射能量,在此基础上建立仪器在宽温度月面情况下工作时,入瞳处接收到的来自被探测目标的混合光谱模型,这一工作不仅能为光谱探测系统的动态范围设计提供依据,同时也为后续月面目标光谱数据的物理参数反演提供前提和基础。基于2200nm-3200nm谱段的月面探测是国内的深空探测的首次实现,因此,对于该谱段月面目标的混合光谱模型的详细研究和分析具有一定的创新性。2.仪器的精细定标为了使月球矿物光谱分析仪红外通道iii能够在月面工作时,实现对被探测目标辐射光谱能量的定量化探测,需要在实验室对仪器进行定标工作。首先,分析了基于单色仪的光谱定标方法和基于黑体标准辐射源的辐射定标的可行性,然后,以月球矿物光谱分析仪红外通道iii设计原理和实现方法为基础,搭建了能够实现2200nm-3200nm谱段光谱探测的模型样机,性能参数与月球矿物光谱分析仪红外通道iii保持一致,用于仪器定标方案的验证。定标结果满足工程要求,并已用于月球矿物光谱分析仪正样件的定标工作中,这部分工作具有一定的工程应用价值。3.温度特性分析和校正月面宽温度环境下,仪器在轨工作时自身温度会与实验室条件下有一定差异,因仪器内部温度敏感器件的存在,导致同样的入射光谱能量,仪器在轨工作和实验室工作两种工况下产生不同的光谱响应,为了使红外通道iii实验室下的辐射定标结果能够适用于深空宽温度工况,本文分析了红外通道iii的系统温度特性,在对其红外探测器和射频功放温度特性分析及试验验证的基础上,建立了宽温度环境下月球矿物光谱分析仪红外通道iii的温度校正数学模型。其中月球矿物光谱分析仪红外通道iii使用的探测器为hgcdte探测器,嫦娥三号红外成像光谱仪未使用此类探测器,因此,本文建立的探测器温度特性分析和校正方法具有一定的创新性。4.反射率光谱特性反演月面目标的反射率光谱特性是月面探测的主要目标和关键环节,根据建立的月面混合光谱模型,提出了利用热辐射去除获取反射率光谱特性的反演算法,并进行了相关的地面验证试验,包括实验室条件下被探测目标不含有温度因素的光谱数据获取和被探测目标含有温度因素的光谱探测数据获取。前者的光谱模型中只含有反射辐射光谱能量,以漫反射金板作为参考板即可通过简单的计算得到反射率光谱特性,其目的既是为了通过对比月球矿物光谱分析仪红外通道iii和标准仪器得到的被探测目标反射率光谱结果来进行仪器的性能评估,也是为了给算法的验证提供对被探测目标反射率光谱特性上的先验知识。通过被探测目标含有温度因素的光谱探测数据获取试验部分,利用热辐射去除算法对样品反射率光谱特性进行反演分析,给出了结果和讨论分析,为红外通道iii的在轨光谱数据处理供借鉴和思路,该部分工作内容不仅具有重要的工程应用价值。也具有一定的创新性。本文的研究内容为月球矿物光谱分析仪红外通道III在宽温度月表的应用提供了相关的解决方案,并在最后给出了一些不足的地方和对未来研究的展望和建议。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P184.5

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