嫦娥五号探测器月面铲挖采样前后状态变化分析

邓湘金，郑燕红，金晟毅，姚 猛，赵志晖

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引 言

探月工程三期的目标是实现月球无人采样返回[1]，嫦娥五号采样封装系统的任务目标是为我国首次获取月球样品。

不少研究者对月球表面月壤的表现状态及其可能演化机理开展了研究，不同深度月壤的形态差异，可能会提供月球演化历史和表层月壤的空间风化机理等信息。美国在阿波罗任务中，对月球表面的状态变化情况进行了详细记录，阿波罗11号任务器着陆于月球的静海，文献[2]记录了这种变化：“在刚翻开的土壤中，新鲜面都是深暗的灰色，很像野外的玄武岩”；“在取芯样的底部，样品物质比表面物质阴暗”；“走动或踢动带起的物质一般要比没有触动的表面物质更暗”。Zhu等[3]利用橄榄石和钛铁矿石研究了其外表形态在低能He+离子辐射前后的变化，结果表明He+离子辐射对橄榄石和钛铁矿有显著影响，未经受He+离子辐射的矿石颗粒具有锐利的边缘，经受He+离子辐射后的矿石颗粒的表面变得平滑，边缘变圆，所有经受He+离子辐射的钛铁矿石颗粒表面都覆盖了厚度约400 nm的平滑皮层。张吉栋[4]认为月表物质因太阳辐射的作用会使其物理性质、化学性质发生改变。宋馨等[5]利用嫦娥三号地形地貌相机和相关温度遥测，测算了月球表面太阳辐射光谱反射率约为0.105，发射率约为0.866。董晓莹等[6]基于Hapke模型，利用反射实验室光谱数据库模型，对月表虹湾地区典型矿物的含量及分布进行了绘制，得到了虹湾地区主要的单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石等5种矿物的丰度分布图。马明[7]、李晓芃等[8]研究了月球表面对不同波段光谱反射特性的差异，成熟月壤裸露时间较长，空间风化作用更加明显，反射光谱的矿物识别能力通常仅限于月壤成熟度较低的地区。杨亚洲[9]开展了月表典型矿物的空间风化模拟与光度学实验研究，在可见光-近红外波段(<3 μm)，相机获得的行星表面能量以反射为主，不是以热发射能量为主，行星表面发生的各种风化过程(如太阳风注入、宇宙与太阳高能射线等)，也可能会使表面物质的光学性质发生改变。曾献棣等[10-13]认为太阳风与月壤矿物相互作用，可能可以形成OH甚至是H2O，并开展了相关机理研究，日照面的月表能持续产生OH/H2O，月表高地OH和H2O的吸收强度均明显强于月海，特别是几个年轻的富斜长石撞击坑表现出非常强的OH/H2O吸收，并且高地和月海OH/H2O受温度和太阳辐射的影响也有所不同，表现为高地长石保存水的能力要高于月海玄武岩。付晓辉等[14]研究了月球表面太空风化作用及其效应，太空风化作用普遍发生在月球、小行星等一些无大气的天体表面，太空风化作用导致月壤的光谱特性发生改变，在紫外-可见-近红外波谱范围内的反射率随波长增加而增大，光谱吸收特性减弱。文献[15-17]对月面相关探测手段或试验方法进行了分析研究。目前尚未看到有人开展实际月面表层和次表层土壤状态差异的定量分析研究工作。

2020年12月1日23时11分，我国的嫦娥五号着上组合体着陆于预选着陆区，先后完成了钻取采样封装和表取采样封装，2日22点22分，完成了我国首次采样封装任务。表取采样机械臂共计实施了12次铲挖采样，获得了预期的月球表面样品。

表取采样过程中，固定安装于着陆器侧板的采样过程监视相机A对铲挖全过程进行了拍照。采样过程监视相机的图像特性显示月球表面在铲挖前后对太阳光的反射特性有明显变化，铲挖后露出来的新鲜月壤比月表原态月壤表现得更灰暗，具有更低的反射特性。嫦娥五号采样前后月面状态的变化与美国载人登月的探测结果有很多相似之处，进一步丰富了人类对月球的认识。月球表面这种状态变化，对研究月球表面特征及月壤演化过程等科学研究具有重要作用，对我国未来的月球采样探测和月球基地建设等工程实施方式积累了亲历经验，可以为后续月球采样的封装方式调整提供参考。

1 表取铲挖采样实施情况概述

嫦娥五号任务中，探测器在月球表面实施了12次铲挖采样。第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖位置相互之间的重叠区域较小，甚至完全独立，具有较好的位置区分关系。第4次铲挖采样在第1、2、3次铲挖位置上实施，与第2、3次铲挖位置有较多重叠区域。第10、11次铲挖采样在第6、7、8、9次铲挖位置上实施，与其铲挖位置有较大重叠区域。嫦娥五号表取铲挖采样的实施位置如图1所示。

图1 嫦娥五号任务的表取铲挖采样实施位置图Fig.1 The sampling sites of Chang’e-5 mission

采样过程监视相机A的图像传感器为IA-G3，分辨率：2352(H)×1728(V)，像元尺寸：7.4 μm×7.4 μm，相机工作谱段：418 nm～695 nm，相机视场角：58.94°×45.12°，相机全视场传函：大于0.22，相机全视场畸变：优于0.67%，静态成像曝光时间：6 ms。输出图像具有R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三种颜色，全色(灰度)图像数据由上述颜色数据合成。

2 表取铲挖采样实施前后图像形态分析

嫦娥五号采样封装任务实施过程中，发现大部份铲挖采样后露出的新鲜月壤与铲挖采样前的原态月壤的图像亮度有显著差异，大部分新鲜月壤的平均亮度均小于原态月壤的平均亮度，其前后时间跨距不超过30分钟。

本文中铲挖位置图是指表取采样机械臂的摇臂铲与月壤作用位置图，由于在铲挖过程中也会导致部份区域发生开裂或月壤堆积等效应，这些效应区域也是铲挖位置图的组成部分。邻域图是指铲挖位置及其临近区域的图。在12次铲挖前后，其原态月壤与新鲜月壤的图像对比图分别如图2、图3、图4、图6、图7、图8、图9和图13所示。从图中可以看出，第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖前的原态月壤图像整体要亮于铲挖后的新鲜月壤图像。第4、10、11次铲挖前后的原态月壤与新鲜月壤之间的亮度变化不太明显。

图2 第1次铲挖前后图像Fig.2 The images of the 1st sampling region before and after digging

图3 第2次铲挖前后图像Fig.3 The images of the 2nd sampling region before and after digging

图4 第3次铲挖前后图像Fig.4 The images of the 3rd sampling region before and after digging

图5 第4次铲挖前后图像Fig.5 The images of the 4th sampling region before and after digging

图6 第5次铲挖前后图像Fig.6 The images of the 5th sampling region before and after digging

图7 第6次铲挖前后图像Fig.7 The images of the 6th sampling region before and after digging

图8 第7次铲挖前后图像Fig.8 The images of the 7th sampling region before and after digging

3 表取铲挖采样实施前后图像DN值分析

3.1 图像DN值分析方法

在固定的光照和方位条件下，图像DN值的变化代表着被成像物体表面反射特性的变化。为了精确分析铲挖位置在采样前后的状态变化，本文对铲挖前后的铲挖位置图分别开展区域平均和区域逐点的图像DN值变化定量分析。

图9 第8次铲挖前后图像Fig.9 The images of the 8th sampling region before and after digging

图10 第9次铲挖前后图像Fig.10 The images of the 9th sampling region before and after digging

图11 第10次铲挖前后图像Fig.11 The images of the 10th sampling region before and after digging

图12 第11次铲挖前后图像Fig.12 The images of the 11th sampling region before and after digging

图13 第12次铲挖前后图像Fig.13 The images of the 12th sampling region before and after digging

区域平均DN值分析由式(1)计算:

(1)

区域逐点DN值分析由式(2)计算：

(2)

3.2 区域平均DN值分析

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖前后，原态月壤与新鲜月壤，在红色谱段中，平均变化率为-25.48%，最小变化率为-14.24%，最大变化率为-41.21%；在绿色谱段中，平均变化率为-25.43%，最小变化率为-14.15%，最大变化率为-40.92%；在蓝色谱段中，平均变化率为-22.17%，最小变化率为-10.46%，最大变化率为-37.59%；在全色谱段中，平均变化率为-24.71%，最小变化率为-13.16%，最大变化率为-40.28%。在铲挖位置的各原态月壤与新鲜月壤的平均DN值关系见表1。

表1 铲挖位置新鲜月壤与原态月壤的图像平均DN值比较表(第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖前后)Table 1 The mean DN values in the images of the sampling sites before and after digging (the 1st、2nd、3rd、5th、6th、7th、8th、9th、12th sampling)

续表1

第4、10、11次铲挖前后，原态月壤与新鲜月壤，在红色谱段中，平均变化率为-1.10%，最小变化率为0.91%，最大变化率为-9.50%；在绿色谱段中，平均变化率为-1.08%，最小变化率为0.69%，最大变化率为-9.40%；在蓝色谱段中，平均变化率为0.89%，最小变化率为1.19%，最大变化率为-6.96%；在全色谱段中，平均变化率为-0.30%，最小变化率为0.90%，最大变化率为-8.89%。在铲挖位置的各原态月壤与新鲜月壤的平均DN值关系见表2。

表2 铲挖位置新鲜月壤与原态月壤的图像平均DN值比较表(第4、10、11次铲挖前后)Table 2 The mean DN values in the images of the sampling sites before and after digging (the 4th、10th、11thsampling)

3.3 区域逐点DN值分析

由于原态月壤和新鲜月壤的差异在各谱段的逐点DN值中具有相同表现趋势。本文仅展示全色谱段中的具体差异特性。为了更细致分析原态月壤与新鲜月壤的差异，对铲挖位置每个像素点的全色谱段DN值(灰度值)进行比较分析，横向坐标是采样位置的逐点像素序号，纵向坐标是某个像素对应的全色谱段DN值，图14～图25中,图(a)是原态月壤对应的全色谱段DN值曲线，图(b)是新鲜月壤对应的全色谱段DN值曲线。

第1次铲挖位置总共占有4114个像素，铲挖前后，有3263个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为79.31%，如图14所示。

图14 第1次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.14 The grey DN curves in images of the 1st sampling site before and after digging

第2次铲挖位置总共占有15806个像素，铲挖前后，有12783个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为80.87%，如图15所示。

图15 第2次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.15 The grey DN curves in images of the 2nd sampling site before and after digging

第3铲挖位置总共占有14842个像素，铲挖前后，有9724个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为65.52%，如图16所示。

图16 第3次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.16 The grey DN curves in images of the 3rd sampling site before and after digging

第5次铲挖位置总共占有25333个像素，铲挖前后，有21721个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为85.74%，如图17所示。

图17 第5次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.17 The grey DN curves in images of the 5th sampling site before and after digging

第6次铲挖位置总共占有8415个像素，铲挖前后，有8131个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为96.63%，如图18所示。

图18 第6次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.18 The grey DN curves in images of the 6th sampling site before and after digging

第7次铲挖位置总共占有13495个像素，铲挖前后，有10746个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为79.63%，如图19所示。

图19 第7次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.19 The grey DN curves in images of the 7th sampling site before and after digging

第8次铲挖位置总共占有14372个像素，铲挖前后，有10581个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为73.62%，如图20所示。

图20 第8次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.20 The grey DN curves in images of the 8th sampling site before and after digging

第9次铲挖位置总共占有13652个像素，铲挖前后，有11419个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为83.64%，如图21所示。

图21 第9次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.21 The grey DN curves in images of the 9th sampling site before and after digging

第12次铲挖位置总共占有15521个像素，铲挖前后，有13730个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为88.46%，如图22所示。

图22 第12次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.22 The grey DN curves in images of the 12th sampling site before and after digging

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖前后，采样位置共计111898个像素，其中有90679个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有81.04%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。在这9次铲挖中，第6次铲挖前后变化最大，采样位置8415个像素，其中有8131个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有96.63%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。第3次铲挖前后变化最小，采样位置14842个像素，其中有9724个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有65.52%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。

第4次铲挖位置总共占有19872个像素，铲挖前后，有11846个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为59.61%，如图23所示。

图23 第4次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.23 The grey DN curves in images of the 4th sampling site before and after digging

第10次铲挖位置总共占有13102个像素，铲挖前后，有5294个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为40.41%，如图24所示。

图24 第10次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.24 The grey DN curves in images of the 10th sampling site before and after digging

第11次铲挖位置总共占有12151个像素，铲挖前后，有6373个像素的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤，占比为52.45%，如图25所示。

图25 第11次铲挖前后的全色谱段DN值曲线Fig.25 The grey DN curves in images of the 11th sampling site before and after digging

第4、10、11次铲挖前后，采样位置共计45125个像素，其中有23513个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有52.11%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。在这3次铲挖中，第4次铲挖前后变化最大，采样位置19872个像素，其中有11846个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有59.61%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。第10次铲挖前后变化最小，采样位置13102个像素，其中有5294个像素的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤，也就是有40.41%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。

4 探讨与推测

由于采样前后的时间跨距不超过30分钟，此时太阳光照角度变化小于0.27°，这个时间段内太阳光照入射方向变化极小，因此可以认为太阳光照角度变化对月表图像灰度变化影响极小,对此有如下推测。

1) 月球次表层物质的平均反射率小于表面物质。

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖均与真实的月表原态月壤进行了明显的相互作用。第1、2、3、5、6、7、8、9、12次铲挖前后，在铲挖位置图像平均DN值中，原态月壤与新鲜月壤的平均变化率为-24.71%，最小变化率为-13.16%，最大变化率为-40.28%。在铲挖位置，81.04%的原态月壤全色谱段DN值要大于新鲜月壤。每次铲挖前后的原态月壤图像平均DN值要大于新鲜月壤。该现象与文献[2]相关记录吻合。因此可以推测月球表面物质与次表层物质的平均反射特性不一致，次表层物质的平均反射率小于表面物质。

2) 局部区域的月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致。

图像形态上看，第4、10、11次铲挖采样前后，月球表面状态发生了明显形态变化，可以明显识别出每次采样位置。第4次铲挖采样是在第1、2、3次铲挖位置上实施，铲挖位置与第2、3次铲挖后的位置有较多交叠，真实原态月表作用区域只占该次采样位置区域的25%左右，约75%的采样位置区域是第2、3次铲挖后的新鲜月壤区；第4次铲挖采样前后，图像平均DN值变化-8.89%，有59.61%的像素点的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤。第10、11次铲挖采样在第6、7、8、9次铲挖位置上实施，铲挖位置几乎与第6、7、8、9次铲挖后的位置完全交叠，几乎没有真实原态月表的作用区域，也就是说，第10、11次铲挖前的状态是第6、7、8、9铲挖后的新鲜月壤区域；第10、11次铲挖采样前后，图像平均DN值变化0.90%和6.10%，仅有46.20%的像素点的原态月壤全色谱段DN值大于新鲜月壤。在已经完成铲挖动作后的月球表面进行再次铲挖实施时，虽然铲挖位置的图像形态发生了明显变化，其平均DN值变化小于9%，没有发生显著变化。阿波罗任务中记录了次表层月壤显著暗于表层月壤的现象，没有记录新鲜月壤再次发生显著变化的现象。因此可以推测在本次采样区域范围内，月球次表层物质的平均反射特性基本一致。

3) 月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致。

月球表层颗粒由于长期在白天受到太阳光照射和高温影响，在黑夜受到低温影响，导致表层颗粒表面受到高低温侵蚀和太阳风中各种能量离子的辐射影响，从而导致表层颗粒和次表层颗粒形态不一致。Zhu等[3]研究结果认为He+离子辐射对橄榄石和钛铁矿的外表形态有显著影响。因此可以推测月球次表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致。

4) 月球表层颗粒与次表层颗粒组成及化学分子结构可能不一致。

月球表层颗粒在较长的时间内受到太阳风辐照影响，导致表层颗粒的分子结构发生变化，甚至可能含有相对较多的纳米铁颗粒。曾献棣等[10-13]研究结果认为太阳风与月壤矿物相互作用，可能可以形成OH甚至是H2O，付晓辉等研究结果认为太阳风可能导致月壤发生非晶质形成和纳米铁生成。因此可以推测月球表层颗粒与次表层颗粒的化学分子或分子结构可能不一致。

5 结 论

嫦娥五号探测器圆满完成了我国首次月面自动采样返回任务，采样封装任务实施过程中的探测数据表明：月球次表层物质的平均反射率小于表面物质；月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致；月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致；月球表层颗粒与次表层颗粒组成及化学分子结构可能不一致。月球表面这种状态差异，对研究月球表面特征、月壤演化过程和演化机理等科学研究具有重要作用，对我国未来的月球采样探测和月球基地建设等工程实施方式积累了亲历经验。建议在后续的月球采样封装任务中，在资源条件允许的情况下，尽量能够单独采集并封装月球表层的样品，为科学家研究月球科学提供更有针对性的月球样品。