基于嫦娥二号微波辐射计数据月球中低纬度亮温异常区地质分析研究

连 懿, 陈圣波, 孟治国, 张 莹, 路 鹏

吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林长春 130021

基于嫦娥二号微波辐射计数据月球中低纬度亮温异常区地质分析研究

连 懿, 陈圣波*, 孟治国, 张 莹, 路 鹏

吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林长春 130021

月球表面的微波辐射亮度温度与月表地质结构和月表物质的物理化学特性相关。为了对月球亮温分布异常区域进行地质分析, 文章首先计算嫦娥亮温数据的时角, 采用克里金插值的方法得到了不同频率不同时刻中低纬度的微波亮温图。结合奇异值分解(SVD)模型分析了月表亮温变化异常, 结果表明风暴洋位置和靠近月海东北部的高地区域等存在亮温变化异常, 月海区域(除风暴洋外)为3 GHz和37 GHz两个场的总体相关区域。通过对月球火山分布地区的区域亮温变化进行分析, 发现这热异常可能是由于月球火山活动造成的。

嫦娥; 微波辐射计; 亮温; 奇异值分解(SVD)模型

嫦娥卫星是世界上首次在月球轨道上搭载了微波辐射计进行探测的资源卫星。嫦娥微波辐射计探测了包含了月表不同频率的微波辐射亮温。其亮温值受到月球内部地质结构影响, 利用亮温数据对月球火山分布地区进行地质分析, 有利于了解月球的进化和整体的框架(欧阳自远, 2009)。

目前, 基于微波辐射计数据, 开展了不同目标的科学研究。基于嫦娥微波辐射计低频数据, 根据辐射传输模型, 主要实现了月壤厚度(Meng et al., 2011; 法文哲等, 2007)和月壤中3He的资源量的反演(王振占等, 2009a; Fa et al., 2007)。基于探测深度较浅的高频数据, 配合模拟的月球表面温度剖面可以反演出月球表面的介电常数分布(王振占等, 2009b)。对嫦娥亮温影响最大的参数是月壤的温度,亮温变化异常的研究也是嫦娥微波辐射计数据的科学目标。Zheng等(2012)等通过对嫦娥微波辐射计数据的时角校正, 研究了月球昼夜亮温的变化异常区域, 发现主要是由于撞击坑形成年代不同造成的亮温变化差异。Zhang等(2010)通过研究南极地区辐射异常, 预测了水冰可能存在的区域。宫晓蕙(2012)等则观测了新老环形山的昼夜表面热辐射的变化。

前人对于亮温变化异常的研究都是基于昼夜这两个时刻的亮温数据, 但不同深度的温度不同,微波辐射计测量亮温的时变特性不同, 尤其在白天表现非常明显, 差别并不仅仅体现昼夜差异上。因此文章中通过对采样时角的计算, 获取月球不同时角的中低纬度地区微波亮温, 结合奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)模型, 研究月球中低纬度亮温变化异常, 进而对亮温异常区域进行地质分析, 发现这种异常可能由于火山活动造成。

1 嫦娥2号微波辐射计数据

搭载微波辐射计的嫦娥二号卫星于2010年10 月1日成功发射, 测量了整个月球表面的微波热辐射。嫦娥卫星的微波辐射计探测频率为 3.0 GHz、7.8 GHz、19.35 GHz和37.0 GHz, 每个频段的探测灵敏度均为 0.5 K, 空间分辨率 3.0 Ghz通道下为50 km, 在7.8 GHz、19.35 GHz、37 GHz通道下为35 km。微波辐射计亮温数据以PDS(Planetary Data System)标准存储, 2C级轨道数据包括了数据采样时间、4个频率通道的亮温、星下点太阳入射角和方位角、月球表面经纬度以及轨道高度等信息。其中, 星下点太阳入射角和方位角、月球表面纬度可以用来计算月球时角, 也就是月球当地时间。文章将由嫦娥二号微波辐射计在 2010年 10月至 2011 年2月间的1468轨亮温数据, 提取月球中低纬度地区亮温值, 并确定观测时所处月球的当地时间。

2 数据处理

2.1 亮温时角校正

为了研究月表亮温随时间变化规律, 研究中采用了时角来表示月球的时间(Fa et al., 2007)。在地平坐标系统, 采用嫦娥2号微波辐射计2C级数据中的太阳入射角和方位角来表示太阳的方位。但当地时间的时角还与纬度有关, 因此我们采用赤道坐标系来表示月球的时角信息。在地平坐标系到赤道坐标系的转化中, 将太阳入射角和方位角信息转化为时角信息, 其计算公式(Zhang et al., 2010; Chan et al., 2010)为:

其中, i是太阳入射角, 取值范围是[0, π]; a是太阳方位角, 取值范围是[0, 2π]; φ是负极角, 取值范围是[-π, π]; λ是纬度, 取值范围是[-π/2, π/2]。h则表示时角, h = -φ。

2.2 SVD模型

奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)方法是通过分析两个要素场之间的相关, 以两个场协方差最大为基础展开, 分别计算交叉协方差矩阵的奇异值及正交的左、右奇异向量及时间系数, 成对的奇异向量构成一对SVD空间模态,分为异类相关和同类相关。异类相关表明一个场的某一模态时间变化对另一个场的总影响状况(即异类关场)。同类相关表明一个场的某一模态时间变化对自身场的影响状况(白人海, 2001)。其公式如下:

假设X是n×d的矩阵: X=UAVT。其中, U是一个n×n的矩阵, V是另一个d×d的矩阵, A则和X一样是n×d的矩阵, 矩阵A的对角线上的元素等于M的奇异值。U和V的列分别是奇异值中的左、右奇异向量。

3 中低纬度亮温分析

3.1 不同时刻中低纬度亮温分布

基于简单圆柱投影和 GCS_MOON_2000坐标系, 并对不同时角范围的亮温数据按照0.5°×0.5°分辨率的网格进行填图, 进行克里金插值, 得到不同时角不同频率的微波亮温。以正午时刻37 GHz亮温分布为例, 月球表面亮温随纬度升高而降低, 这由于影响亮温的月球表面物理温度从赤道向两极逐渐降低(图1)。

图1 频率37 GHz时角0°～30°微波亮温图Fig. 1 Microwave brightness temperature image of 0°～30° in 37 GHz frequency channel

月表温度对于不同频率的亮温影响也不同, 为了研究不同频率亮温和物理温度在不同时角的变化关系, 将不同时角下的亮温数据和 Apollo 15的测量结果进行比较, 其中物理温度采用 Apollo 15热流实验中对月表温度的测量结果。如图2所示4个不同频率的亮温和温度随时角的变化而变化, 从月球时间6:00(时角为-120°)时, 亮温开始随时角的增加而增大, 在月球时间 15:00(时角为 45°)达到了最高值, 这与温度变化的趋势几乎一致。比较不同频率的亮温, 发现在月球白天频率越高亮温越大, 而在夜晚则相反, 这是由于不同频率探测的月壤深度不同, 越深层的月壤温度受到太阳的辐射影响越小。

图2 温度和亮温随时角变化Fig. 2 Temperature and brightness temperature versus hour angle

为了研究高程对不同频率亮温的影响, 文章中选择Apollo 15登月点所在的纬线作为剖面进行高程和不同频率亮温的对比分析。如图3所示, 随着频率的升高, 地形对亮温的影响表现的越来越明显, 3 GHz通道亮温的分布主要表现出亮温随纬度的变化而产生的差异, 因为 3 GHz电磁波穿透深度大,所以地形对亮温的影响表现不明显, 只有模糊的轮廓。亮温分布图显示频率越高, 体现出来的细节变化越多, 在图 1上某些撞击坑已经清晰可见, 并且投影图像所呈现出来的特征也越接近 Clementine UV/VIS图像的特征。

3.2 基于SVD模型中低纬度亮温异常分析

为了研究月壤不同深度的温度异常, 文章中选取了微波辐射计最低频率也就是探测深度最深的3 GHz的亮温数据作为SVD模型的左场, 最高频率通道37 GHz的亮温数据作为SVD模型的右场, 采用月球时间的一昼夜(共12个时刻)作时间序列, 进行SVD分析。

通过分析异类相关图, 绝大多数地区为正相关。3 GHz中低纬度亮温和37 GHz中低纬度亮温的时间系数的异类相关性如图4a所示, 最小负相关系数仅为-0.32, 在风暴洋位置和靠近月海东北部的高地区域存在一点负相关区域, 相关系数最大的区域主要分布月海区域, 除风暴洋外。37 GHz中低纬度亮温和3 GHz中低纬度亮温的时间系数的异类相关性如图4b所示, 全部为正值, 相关系数最大区域同样也主要位于月海。通过分析同类相关图(图4c, d), 绝大多数地区也为正相关, 并且在相关系数分布区域也和异类相关图有着共同的特征。对比左右场的同类和异类相关图, 得出风暴洋外的月海是两个场的总体相关区域; 风暴洋和靠近月海东部的高地区域是亮温的变化异常区域。

图4显示, 月海中同一纬度下左右场相关性低也就是亮温变化异常的区域在风暴洋边缘, 而该地区正是火山分布密集区域, 所以亮温变化异常可能是由于该地区的火山活动造成的。从整体分布上看月海地区的亮温变化异常相对月陆来说更加明显,这可能是由于月海中火山相对较少, 所以在相关图中呈正相关。从图 4中还可以看出, 右场的同类相关系数和异类相关系数明显要高于左场, 这由于作为右场 37 GHz通道探测深度较浅, 其月表亮温主要受到太阳辐射的影响, 因此在不存在永久阴影区的中低纬度上表现出了很高的相关性, 这也和辐射传输机理相符。

3.3 火山亮温异常分析

研究发现通过 SVD模型分析的亮温异常区域,大多位于火山附近。由于火山活动是月球内部地质作用的外在表现, 因此火山是认识月球内部特征的窗户。不同时间形成的月球内部不同的深度的玄武岩浆其成分往往存在差异, 尤其是铁钛含量的差异可能是造成亮温异常的主要原因(肖龙等, 2009)。这里选取风暴洋附近的 Cruger火山(图 1), 和不同时角下的同一纬度下的月表平均亮温进行比较(图5)。在3 GHz和37 GHz频率下, 火山口的亮温值都高于平均亮温值, 说明该区域是一个相对热点。而在37 GHz频率下火山分布地区和月表同一纬线的亮温随时角变化趋势基本一致, 这是由于月球火山分布地区表面的成分和同一纬度其他区域的成分相对一致。而在3 GHz频率下火山口的亮温变化相对波动比较大, 在出现了几次升温, 其温度最高点的位置也不同, 这是由于3 GHz的探测深度较深, 其深层的月壤和月岩成分受到月球表面环境影响较小,其成分和内部结构可能异于同一纬度其它地区。

图4 3 GHz的亮温数据为左场、37 GHz的亮温数据为右场SVD第1模态图Fig. 4 The first modal map of 3 GHz brightness temperature data for the left field, 37 GHz brightness temperature data for the right field

4 结论

本文基于嫦娥2号微波辐射计数据, 对每个采样点进行亮温时角校正, 采用克里金插值的方法,得到不同频率不同时角的中低纬度的微波亮温分布。亮温图分布显示, 月球表面各频率亮温随纬度升高而降低; 频率越高, 全月球表面亮温分布差异越大, 月表亮温同时也随着时角的变化而变化。文章选取了微波辐射计 3 GHz的亮温数据作为左场, 37 GHz的亮温数据作为右场, 建立了 SVD模型,分析月球中低纬度地区不同深度亮温变化异常的关系。由于火山活动是月球内部地质作用的外在表现,因此认为该异常可能是由于火山活动造成的。文章以 Cruger火山为例对火山分布地区和周围环境不同频率亮温分布进行了对比分析。研究表明:

1)风暴洋位置和靠近月海东北部的高地区域等火山集中区域为亮温变化异常区域;

2)月海区域(除风暴洋外)为3 GHz和37 GHz两个场的总体正相关区域;

3)火山分布地区和周围环境亮温分布的差异,在探测深度深的低频亮温数据较大, 而高频的亮温比较一致, 这说明由于火山活动的影响, 其成分可能异于同一纬度其它地区。

图5 不同频率火山区域和周围环境亮温随时角变化比较Fig. 5 Cruger crater and average brightness on the same latitude of Cruger crater brightness temperature versus hour angle

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Geological Analysis of Lunar Middle and Low Latitude Brightness Temperature Anomaly Area Based on Chang’E-2 MRM Data

LIAN Yi, CHEN Sheng-bo*, MENG Zhi-guo, ZHANG Ying, LU Peng
College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, Changchun, Jilin 130021

China’s Chang’E-2 is for the first time equipped with a passive microwave radiometer (MRM) to measure the brightness temperature of different lunar surfaces. To make geological analysis of the anomaly of brightness temperature, the authors calculated the hour angle of the brightness temperature data and obtained the brightness temperature of middle and low latitudes at different frequencies and in different periods by Kriging interpolation method. The anomaly of brightness temperature on lunar surface was obtained based on the SVD model. The result shows that Oceanus Procellarum and the highland region of northeast lunar mare with concentrated volcanic rocks constitute the brightness temperature anomaly area. The large lunar mare area is an overall correlation region of 3 GHz and 37 GHz.

Chang’E; microwave radiometer; temperature brightness; Singular Value Decomposition (SVD) model

P184.53; P171.3

A

10.3975/cagsb.2014.05.15

本文由国家自然科学基金项目(编号: 41372337)资助。

2014-03-24; 改回日期: 2014-05-26。责任编辑: 魏乐军。

连懿, 男, 1986年生。博士研究生。主要从事月球微波遥感研究。通讯地址: 130021, 吉林省长春市西民主大街6号。E-mail: fishlice@163.com。

*通讯作者: 陈圣波, 男, 1967年生。教授, 博士生导师。主要从事定量遥感研究。通讯地址: 130021, 吉林省长春市西民主大街938号。

E-mail: chensb@jlu.edu.cn。