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科研人员对玉兔二号光谱的光照作几何校正

2020-05-07
来源:新浪科技综合

    反射光谱是获取月球表面成分的最重要手段,但是影响光谱的因素很多。除月表的物质组成、物性和太空风化程度之外,还受探测时的几何因素影响,包括入射角、发射角相位角。因此,研究光照几何因素的影响并进行校正,是准确反演月表物质组成、太空风化程度等的前提。通常是在实验室利用模拟月壤或阿波罗月球样品开展不同几何光照条件对光谱影响的研究。但是,即使是采用真实阿波罗月壤样品,其表面也已经不是在月表时的原始状态,因此模拟条件下测量的结果与真实月表可能有很大的差异。阿波罗计划之后,只有嫦娥三号和嫦娥四号成功软着陆于月表,并且分别携带了月球车(玉兔一、二号),对月壤进行了可见-近红外成像光谱仪的原位测量。2019年1月3日,嫦娥四号降落在月球背面南极‐艾肯盆地的冯卡门撞击坑,并开展了巡视探测(图1a),期待获得月球的深部物质组成。在嫦娥四号着陆后的第四个月昼,玉兔二号首次开展了不同光照几何条件下,月表原位光谱测量实验(图1b)。

  中国科学院地质与地球物理研究所研究员林杨挺团队利用玉兔二号在第四月昼测量的光谱,首次推导出覆盖可见光-近红外波段(470-945 nm, 5nm间隔)的月表原位光度函数,并利用光度函数将光谱校正到标准观测角度(即光度校正),获得了更准确的月壤FeO含量和成熟度。

  由于着陆区的风化层暴露时间长达36亿年,月壤已被均匀地混合,这与玉兔二号拍摄的全景图一致(图2),这一均匀表面为进行月球光度实验提供了一个绝佳的场所。实验采用月球车在中心旋转一定角度,并对周边月壤进行光谱测量的方式进行。实际测量的区域直径小于5 m,可以认为是均一的表面,相位角覆盖范围39。6°-97。1°(图1b)。通过数据分析发现,相函数与相位角之间具有很好的相关性(图3a),并且随波长变化(图3b);从特定相角到30度相角的校正系数随波长的增加而减小(图3c);对于每个波长的反射率,相位角越大,校正到30度相位角的校正系数越大。

  利用推导出的光度函数将光谱校正到标准的几何角度(入射角30°,出射角0°,相位角3°),并利用校正后的光谱计算了月壤的FeO含量和光学成熟度(OMAT)。未经光度函数校正的反射率光谱,对很小区域内(直径<5 m)月壤FeO含量和OMAT的反演有显著的离散,FeO含量由9.0%到10.89%,OMAT值由0.11到0.18。作为对比,光度函数校正后的光谱,给出的FeO含量和OMAT值都相当一致,标准偏差分别从13.5% (FeO)和35.7% (OMAT) 降低到0.7%和7.1%,显示出反射光谱光度校正的重要性。该研究所获得的原位光度函数可为月球探测的可见光-近红外相机和光谱仪的校准、验证、比较和成分反演提供重要参考。

  研究成果发表于JGR-Planets。

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图1 (a)玉兔二号月球车前四月昼的行驶路线;(b)不同光照几何条件的光谱测量实验示意图

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图2 实验区域的全景照片

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    图3 嫦娥四号着陆点月面相位函数。(a)相位函数在500nm和750nm处的拟合,f(α)为相位函数;(b) 470-945nm的相位函数;(c)不同波长之间相位函数的对比;(d)归一化到750 nm 的相位函数


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