您的当前位置:首页基于光学数据的月壤元素、含量反演以及介电常数的反演

基于光学数据的月壤元素、含量反演以及介电常数的反演

2021-03-29 来源:乌哈旅游
第16卷第34期2016年12月 科学技术与工程 V0l_16 No.34 Dec.2016 1671—1815f2016)034—0217—05 Science Technology and Engineering ⑥2016 Sci.Tech.Engrg. 电子技术、通信技术 基于光学数据的月壤元素、含量反演以及 介电常数的反演 杜鹏连 懿 宋宜全崔铁军 张涛 (天津师范大学,天津300387) 摘要 月球元素含量的反演有利于了解月球物质成分的分布从而对月球矿产资源开发利用提供重要依据,对于月球科学 的研究具有重要意义。利用LSCC数据和Clementine光学数据在全月球的角度上对月壤中FeO和TiO:的含量进行反演;并基 于回归分析建立介电常数和FeO和TiO:含量总和的耦合关系,进而对介电常数进行反演;并与实测点的数据进行比较,验证 了利用光学数据反演月壤元素含量以及通过回归分析反演介电常数的可行性,为月表反演的研究提供了新的思路。 关键词TiO: FeO 介电常数 反演 A 中图法分类号TN927.3; 文献标志码随着深空探测研究技术的不断发展,以美、俄两 国为首的各个空间大国对月球进行了大量的多手 段、全方位的探测工作,获取了大量的月壤参数分布 应的关系对在全月球的尺度上对月球进行检测、分 析 .4 J。其空间分辨率更高。因此,本文将采用空 间分辨率更高的Clementine光学数据。 因此本文借鉴Lucey与Uillis的方法,探讨一种 适合基于嫦娥数据的月表FeO和TiO:反演的数学 和月岩等数据,加深了人类对于月球结构、成分等特 性的了解_l J。月壤中含有丰富的钛铁矿等战略资 源,而通过对月壤介电常数的测量,可以对月壤厚 度,成分等信息进行提取,从而有助于对月球资源的 开发与利用。 目前获取月壤介电常数的方法主要有直接测量 法、主动微波遥感方式、被动微波遥感方式和光学遥 感的方法。其中直接测量法是精度最高的方法,具 体做法是利用采集到的月壤样品的数据,可以测量 模型 J,将其用于FeO和TiO,反演。并根据Cle. mentine光学数据建立复介电常数和FeO和TiO 含 量之间的回归方程,并基于其方程对复介电常数进 行反演,并探讨其可行性。 1成分和介电常数的耦合关系 1.1 LSCC数据介绍 得到登月点的月壤介电常数。但其采样点十分有 限,不能满足获取全月表的介电常数分布特征的 需要 。 主动遥感则是通过地面向月球发射卫星雷达探 测器对月球进行主动微波辐射的测量,从而得到介 电常数;被动微波遥感方式是利用地基微波辐射计 获取月球不同波长的遥感图像,并加以分析得到介 电常数信息。利用微波遥感的方式能够得到全月球 LSCC(1unar soil characterization consortium)是 对Apollo计划和Luna计划采集的样品进行分析建 立的光谱库,包括高地和月海两个区域中不同成熟 度具有代表性的不同粒径样品的成熟度、元素含量 和反射光谱等分析结果 J。其中,反射光谱包含 0.3~2.5 m和0.3~25 m两个波长范围的数据。 热红外光谱是利用布朗大学RELAB(reflectance ex— periment laboratory)实验室Nicolet 870 Nexus FF-IR 的介电常数信息,但其都是对月壤介电常数进行了 定性分析,没有定量分析的结果,不能满足相关模型 建立的需要。而且由于受到设备的空间分辨率的影 分光仪,在人射角,出射角观测条件下获得的。仪器 波长范围为0.3~25 m,在8 m附近的波谱分辨 响,所以其空间分辨率较低。相比之下,光学遥感方 法是利用光学数据与可见光.近红外光谱建立相对 2016年5月24日收到 国家自然科学基金(41471314)、 率为0.01 m。利用热红外反射光谱基于基尔霍夫 定律可以计算不同粒径样品绝对发射率。LSCC提 供了月表3个粒径大小的矿物与元素含量等成熟的 数据 , 。 1.2 Clementine数据 天津师范大学博士基金(52XB1502)资助 通信作者简介:连懿(1986一),男,研究方向:月球微波遥感。 E—mail:fishlice@163.com。 Clementine是美国1994年发射的绕月球极轨 道航天器(这类航天器可以获取全球影像),装载有 218 科学技术与工程 16卷 紫外/可见光相机和近红外相机(主要用于月表矿 利用Fourier拟合FeO+TiO 含量和介电常数之间 物信息提取)、高分辨率相机(可以提供不受飞行器 运动干扰的高分辨率图像)、激光雷达测距系统、长 波红外相机(主要用于测量月表的热辐射)和星跟 踪器相机(主要是为了定位高度和为了科学实验采 用的相机的视场宽度范围)等7个不同的仪器,所 有这些仪器都按照预期的目标圆满完成了使命 。 Clementine为月表寻找水的存在性以及人类登月计 划也启动了重要的作用。 1.3基于回归分析建立耦合关系 的函数关系为: )=a0+a1cos(xw)+b1sin( )。 式中,a=9.279×10 ,a1=一9.279×10 ,bl= 144,W:0.016 67。拟合曲线如图1(b)。 一利用Linear Fitting拟合FeO+TiO2含量和介电 常数之间的函数关系为: 厂( )=a[sin( —p )]+b[( 一10) ]+c。 式中,a=418.5,b=一21.03,c=2 103。拟合曲 线如图1(C)。 为了反演氧化铁和氧化钛的含量,根据月壤辐 射传输模型,需要先建立成分和介电常数之间的关 系¨ 。因此本文通过整合分析Apollo,Lunar,Sur- 利用Sum of Sine拟合FeO+TiO2含量和介电常 数之间的函数关系为: ,( )=a1 sin(bl +c1)。 veyo等月球样品的实测数据,得到了所测样品的复 介电常数值与FeO+TiO,含量的列表。通过MAT- LAB运用数据拟合的方法基于上述整合后的数据 建立复介电常数与FeO+TiO 含量的回归方程,得 到其最优的拟合曲线。 为得到其最优的拟合曲线,本文选用了4种不 同的拟合方法对FeO+TiO,含量和介电常数之间的 式中,a】=10.71,b1=0.144 6,c】=一0.009 178。 拟合曲线如图1(d)。 为了挑选出最优的FeO+TiO 含量和介电常数 之间的函数关系,因此本文选取SSE(误差平方和) 和RMSE(标准差)两个参数对实验得到的4种不同 曲线进行比较,比较结果如表1。 表1 4种曲线的误差统计表 Table 1 Error statistics of 4 kinds of carves 函数关系进行拟合: 利用Exponential拟合FeO+TiO2含量和介电 常数之间的函数关系为: )=aexp( )。 式中,a=0.007 403,b=14.44。拟合曲线如图1(a)。 图1 介电常数与FeO+TiO:含量拟合曲线 Fig.1 Fitting curves of permittivity constant and FeO+TiO2 content 34期 杜鹏,等:基于光学数据的月壤元素、含量反演以及介电常数的反演 2l9 SSE是一组数据对真实值的偏差平方后再求 和。因此,该值的大小反映了测量数据相对于真实 值的差异情况,该值越大代表此组数据越偏离其真 实值。 RMSE是一组数据平均值分散程度的一种度 量。一个较大的标准差,代表大部分数值和其平均 值之间差异较大;一个较小的标准差,代表这些数值 较接**均值。 由表1可以看出,利用Fourier拟合出来的曲线 误差值较小,综合最优;因此经比较本文选用该函数 曲线作为FeO+TiO 含量和介电常数之间的函数关 系曲线。 O。 0。 O 2O 含量/% 图2 FeO含量分布图 Fig.2 FeO content distribution map 2介电常数反演 2.1成分反演 30。 通过对Apollo,Lunar,Surveyor登月点反照率 (由Clementine号月壤探测数据得到)及FeO和 TiO,含量数据的统计分析,认为月壤介电常数主要 受氧化亚铁和氧化钛含量影响,如果得到已知点的 含量,% 图3 TiO 含量分布图 Fig.3 TiO2 content distribution map 介电常数信息就可以反演氧化亚铁和氧化钛含量的 分布 。因此选用Clementine可见光和近红外波 段数据计算(FeO和TiO )含量的算法: 利用Galileo SSI相机和Clementine UVVIS相机 2.2介电常数反演 基于本文建立的对介电常数和FeO和TiO 含 量的耦合关系的回归方程,对全月球的月壤介电 常数进行反演¨ 。基于本文对于所选取的各个回 归方程的误差分析,采用误差最小的Fourier拟合 曲线对介电常数进行反演,利用模型公式: )= a0+al cos( )+b1 sin(XW),式中:a=9.279× 10 ,al=一9.279×10 ,bl=一144,w=0.016 67, 的多光谱图影像数据,人们得到了一系列反演月表 Fe、Ti元素的新数学方法。目前来看,国际上已经 存在很多模型,其中Lucey等人的模型应用比较广 泛,并经历了一系列的修正和优化。在Charette等 工作的基础上,l,ucey等想抑制月壤成熟度对反演 带来的影响,采取将取样点Clementine光谱数据与 其月壤平均组成进行关联,发现Fe的光谱角参数与 这些取样点的含量之间有很好的相关性 ”J。在对 Clementine UVVIS做了最终的定标处理的基础上, 将本文所得到的FeO和TiO,的含量相加代人方程 中即可得到全月球表面中月壤的介电常数,如 图4 Lucey等得到了利用Clementine UVVIS数据进月表 FeO含量反演的公式: 427-aretan.\、 f, ]]_7.656 L 百 / (1) 介电常数 式(1)中,月 。、月 分别是波长为950/1113和750 图4介电常数反演 Fig.4 Permittivity retrieval nm时月球表面的反射率。 对于TiO,反演模型也采用相似的模型公式: 7。8 arctan2.3精度评价 L f, R415.o.42 (2) — : /J 为了验证利用该回归方程反演介电常数的准确 性,研究中利用在常温下(22 ̄C)Apollo登月点采集 的月壤真实样品介电常数测量结果,与我们反演后 的介电常数进行比较,如表2。 基于上述模型即可分别得到全月球的FeO和 TiO,的含量分布图(图2和图3)。 220 科学技术与工程 l6卷 表2反演结果与月壤真实样品测量结果比较 Table 2 Comparison of the results of the inversion results and the measured results of lunar soil samples 从表2中看出,反演的介电常数与月壤真实样 品测量值的差值都在0.02以内。从表2中看出文 章中介电常数的反演结果和月壤真实样品在Apollo 14、17登月点处差值大于0.O1,相比于其他几组数 据,误差较大。由于介电常数的数值较小,细微的差 异都会造成误差的增大。因此,经分析后可知:利用 此方法反演介电常数是可行的,至少反演的介电常 数在一定误差允许范围内是可靠的。 3 结论 本文通过统计学的相关知识对Apollo,Lunar, Surveyo等月球样品的实测数据进行整合分析,确定 了月壤复介电常数值与FeO和TiO 的含量具有密 切的关联,并通过回归分析的方法建立了两者之间 的回归方程,模拟得到了其拟合曲线。并利用光学 遥感方法对Clementine UVVIS多光谱数据与可见 光.近红外光谱建立相对应的关系,基于Clementine UVVIS多光谱数据的研究方法,建立了适用于Fe和 Ti元素的反演模型,并在全月球的尺度上对月球的 FeO和TiO,的含量进行反演与分析。 参考文献 Lawrence D J,Feldman W C,Barraclougll B L,et a1.Global ele— mental maps of the moon:the lunar prospector gamma—ray spectorme— tar.Science,1998;281(5382):1484--1489 2 Pietem C,,MCCOrd T B,Charette M P,et 1a.Lunat surface:identi— ifcation of the dark mantling material in the apollo 17 soil samples. Science,1974;183(4130):1191—1194 3 Warell J,Blewett D T.Properties of the Hermean regolith:V.New optical reflectance spectra,comparison with lunar anorthosites,and mineralogical modelling.Icarus,2004;168(2):257—276 4 Cahill J T S.Lucey P G.Wieczorek M A.Compositional variations of the lunar crust:Results from radiative transfer modeling of central peak spectra.Journal of Geophysical Research Atmospheres,2009; l14(114):723—-735 5 Makiko O,Tsune0 M,Junichi H,et a1.The global distirbution of pure anorthosite on the moon.Nature,2009;461(7261):236—240 6 Li S,Li L.Radiative transfer modeling for quantifying lunar surface minerals,particle size,and submicroscopic metlalic Fe.Journal of Geophysical Research,2011;116(116):86—86 7 Shoemaker E M,Batson R M,Hoh H E,et a1.Observations of the lunar regolith and the Earth from the television camera on Surveyor 7. Journal of Geophysical Research,1969;74(25):6081__6l19 8连懿,陈圣波,孟治国,等.基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮 温数据反演月壤介电常数.地球科学:中国地质大学学报,2014; (11):1644--1650 Lian Yi,Chen Shengbo,Meng Zhiguo,et a1.Lunar soil dielectric constant based on the brishtness temperature data of satellite micro— wave radiometer of Chang e two.Earth Science:Journal of China U- niversity of Geosciences,2014;(1 1):164_4—165O 9马明,陈圣波,周超,等.基于Diviner热红外数据的Apollo 15登陆区元素含量反演.岩石学报,2016;32(1):144--150 Ma Ming,Chen Shengbo,Zhou Chao,et a1.Inversion of element content in Apollo 15 lnading area based on Diviner thermal infrared data.Journal ofRock,2016;32(1):144—15O 1O凌宗成,张江,刘建忠,等.嫦娥一号干涉成像光谱仪数据 TiO2反演初步结果.科学通报,2011;(16):1257--1263 Ling Zongcheng,Zhang Jiang,Liu Jianzhong,et a1.Preliminary re- suhs of TiO,inversion of the data of the Chang E 1 interference ima- ging spectormeter.Chinese Science Bulletin,201 1;(16): 1257—1263 11王翔,陈建平,许延波,等.基于嫦娥数据的月球虹湾区域 TiO2、MgO含量反演.地学前缘,2012;19(6):28—36 Wang Xiang,Chen Jianping,Xu Yanbo,et a1.Inversion of TiO2 and MgO contents in the lunar rainbow Bay Area Based on the data from the moon.Earth Science Frontiers,2012;19(6):28—36 12周贤锋,赵书河,吴昀昭,等.基于光学遥感数据虹湾地区铁钛 含量反演研究.中国科学:物理学力学天文学,2013;(8): 987—1003 Zhou Xianfeng,Zhao Shuhe,Wu Junzhao,et a1.Study on inversion of iron and titanium content rainbow Bay area based on optical re- mote sensing data.Science in China:Astronomy,Physics and Me— chanics,2013;(8):987—1O03 13刘道飞,陈圣波,路鹏.基于Clementine热红外数据的Apol— lo17登月点区域氧化钙含量反演.地球学报,2015;(2): 245—n249 Liu Daofei,Chen Shengbo,Lu Peng.Inversion of calcium content in the Apollol7 lunar landing area based on Clementine thermal in- frraed data.Earth Journal,2015;(2):245—249 14查逢丽.基于Mini.RF数据的月表介电常数反演与应用.长春: 吉林大学,2015 Cha Fengli.The Mini—RF data of the surface dielectric constant based off inversion and Application. ChangChun:Jilin University,2015 34期 杜鹏,等:基于光学数据的月壤元素、含量反演以及介电常数的反演 22l Inversion of Lunar Soil Element Content and Dielectric Constant Based on Optical Data DU Peng,LIAN Yi ,SONG Yi-quan,CUI Tie-jun,ZHANG Ta。 (Tianjin Normal University,Tianjing 300387,P.R.China) l Abstract]The inversion of the element content of the moon is helpful t0 understand the distributi0n of the mate. nal c0mponents of the moon,thus providing an important basis for the exploitation and utilization of the mineral re— sources of the moon・The LSCC data and Clementine optical data in the point of view of the full moon in the 1unar regolith FeO and TiO2 content inversion,and based on regression analysis established die1ectric constant and FeO and TiO2 content of the slim of the coupling relationship,and the inversion of die1ectric constant,and compaI.e with the measured data,veriifed by optical data inversion of lunar regolith element content and through the regression a— nalysis of the feasibility of the inversion of permittivity and provides a new idea for the studv on the inversion 0f 1u. [Key words]TiO2 FeO permittivity retrieval ≯ p 、 、 (上接第216页) Quantitative Evaluation of Negative Sequence Volatge Responsibility Based on Complex Domain Five Point Regression TONG Zi-juan,JIA Xiu—fang (State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy S0urce (North China Electric Power University),Baoding 071003.P.R.China) l Abstract]Three phase unbalanced source causing bus voltage asymmetry at the c0mmon connection Doint is 0ne ot the maln power quality problems by the power supply department,and using the voltage(current)unbalance de— gree as the power quality assessment indicators. In order to quantify each three—phase load caused unbalanced voh. age size at bus,the definition of three phase unbalanced responsibility was first presented.Second,due t0 the ca1. cuIat10n of negahve sequence voltage responsibility is the key to accurate estimation system equivalent negative se. quence mpedance・ lye point subdivision method was presented in complex ifeld linear regression,in five sampling data nto a set of complex linear regression. According to the error limit of screening out the negative seauence im— Pedance parameters in each group,and calculate the average value,then getting the system equivalent negative se. quence Impedance and the background negative sequence vohage.The example veriifes feasibility. [Key words]three phase unbalanced source power quality negative sequence impedance 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容