月表典型矿物的多角度偏振特性研究

　　从古至今，人类对于月球的向往和探测从未改变。人们对偏振观测及研究始于上个世纪八十年代，而早在六十年代人们就对宇宙空间星体的大气和其表面的偏振特征进行了有效的探测研究。人类文明发展到今天，己取得了载人飞船登陆月球、探测器登陆火星等一些科研成果【1】

　　月球是离地球最近的天体，是人类研究天体的主要目标，发现并利用月球上的资源为人类的发展做出贡献是人类研究天体的目标之一。月球良好的环境为各种研究提供了良好的条件。人类探测月球的意义有以下几个方面

　　第一，促进科学的发展,首先，对月球本身的科学研究可以增强人类文明的认识，更深一步对宇宙进行探索。包括探索太阳系的产生演化等，认识各种宇宙空间系统的机理与其之间的关系。对月球及其他星球的探测活动不仅能揭示科学的奥秘，还可带动相关领域科学的发展，如人工智能、机器人、遥控作业、加工自动化、高超音速飞行、光学通信和高速数据处理、超高强度和耐高温材料、空间发电站、电功率微波传输、无污染飞行器以及空间生命科学等。总之，月球探测和其在各方面探测技术的应用，必然会促进科学技术进步和工业蓬勃发展，给国民经济带来巨大利益，对人类文明产生深远影响

　　第二，月球可为其他星球探测和研究的提供平台，由于月球表面在地质构造上十分稳定，这对建造探测天体望远镜和遥感器的来说是非常好的场所；并且月球没有大气和磁场的存在，月基望远镜可以比地基系统更清晰地观测其他星体。总之，月球可以作为一个对太阳系等天体系统中的各类星体进行观测和研究的场所，对于天文物理学、重力波物理学和中微子物理学实验和观测而言极为理想

　　第三，月球可作为人类航天活动的基地和能源基地，各种资料表明，月球具有丰富的物质资源，月岩中含有地壳里的全部元素和约60种矿藏。在月球土壤中，作为推进剂，为生命保障系统的供氧源的氧占40％；为制作太阳电池的提供原材料的硅占20%。月球表面还含有有的地球上没有的能源，如氦-3(he-3)，它为核聚变反应提供了理想的燃料。“克莱门汀”探测器已证实月球上有水冰存在，为建立月球基地有人提供了的水源基础，激发了世界各国对月球探测和开发的兴趣【1】

　　月壤像地球表面的土壤一样，是一层由岩屑、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒状物质。月壤在月球表面的覆盖厚度有所不同，在月海里的厚度为4-5米，在月陆区的厚度平均为10米左右。由于月球上没有大气和磁场存在，所以，高速带电粒子流形成的太阳风，可以直接抵达月球。因而，月壤中富含由太阳风粒子积累所形成的氢、氦、氖、氩、氮等元素。它们在被加热到700℃以上温度时，就可以全部释放出来。其中，氯－3气体是进行核聚变反应发电的高效燃料，在月壤中的资源总量可以达到100-500万吨。另据计算，从月壤中每提炼出1吨氯－3，从中还可以获得约6300吨氢气、700吨氮气和1600吨CO或CO2气体

　　俄罗斯科学家对月球土壤进行研究后，发现月壤中还存在天然的铁、金、银、铅和锌、铜矿颗粒，以及由镉、锌、铁、锰和硫结合而成的硫镉矿以及地球上所没有的碘化铑

　　建造房屋需要多种建筑材料，尤其是大量的混凝土，在月球上建造建筑物更是如此。由于运载火箭的负荷有限，水泥和水不可能从地球带去。因此，利用月球上的资源制造建筑材料将是一个重要的选择

　　而研究月球表面矿物含量则是月球的探测中的重要任务。月表物质成分探测是月球探测的重要组成部分。月壤像地球表面的土壤一样，是一层由岩屑、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒状物质。月壤在月球表面的覆盖厚度与月球的地貌有关，在月海里的月壤厚度为4-5米，在月陆区的厚度平均为10米左右。由于月球上没有大气和磁场存在，所以，高速带电粒子流形成的太阳风，可以直接抵达月球。因而，月壤中富含由太阳风粒子积累所形成的氢、氦、氖、氩、氮等元素。它们在被加热到700℃以上温度时，就可以全部释放出来。不少学者在对月表矿物的分析和研究以及月球的光谱特性和各种物质的偏振特性等方面做了大量工作，取得了较大地进展，也有力地推动对月表成分的进一步分析【2】

　　该研究从观测几何条件设计研究方案，在一次观测中，与观测样品相关的角度有四个：入射角，出射角，方位角，相位角。研究通过固定三个角度，变换其中一个角度来测得月表不同矿物的反射率

　　国内外研究现状

　　不少学者在对月表矿物的分析和研究以及月球的光谱特性和各种物质的偏振特性等方面做了大量工作，取得了较大地进展，也有力地推动对月表成分的进一步分析【3】

　　(一)月球多光谱探测活动

　　多光谱探测技术是在多波段遥感技术的基础上发展起来的，多波段遥感技术利用多通道传感器进行不同波段的同步摄像或扫描，取得同一地面景象的不同波段的影响或数字数据，从而获得有用信息【3】。多光谱遥感技术最初应用于航空摄影，由于多光谱摄影与其他摄影系统相比具有较高的分辨力，所以，最初的十几年里多光谱摄影在空间遥感技术上得到了广泛的应用[4]。1962年，莫斯科测绘学院制成了初期的多光谱传感器，1972年出现了光束分离的多光谱摄影机，自19世纪70年代初，以地球资源卫星为代表的多波段遥感技术迅速发展，我国也在多光谱探测技术方面近年来取得长足的进步【5】。1999年，中巴联制了地球资源卫星就打在了红外光谱扫描仪，2004年，有中国科学院上海技术物理研究所研制的多光谱扫描仪已装备到海监飞机上，此外，我国在多光谱探测的传感器和光谱探测的图像融合算法等也都取得了较大进展

　　对于月球多光谱的遥感探测，人类就开始获取月表遥感影像，1994年X发射了Clementine，欧空局2004年发射的Smart-1均为近月面成像，我国在2009年研究了风化作用对月球多光谱遥感探测的影响【6】；以及月球表面多光谱数据最佳波段。中国科学院地球化学研究所曾对月球样品的UV-VIS-NIR光谱特征进行了研究【7】

　　偏振遥感发展到今天已经在多个领域进行了应用，国内外对偏振遥感的研究主要体现在偏振遥感仪器的研制与改进，地物偏振信息数据的处理与分析两个方面。目前国内外个科研机构根据需要研制了不同类型的仪器，偏振遥感最早应用在天文领域中。1977年，X发射了旅行者一号和二号卫星，其搭载的光度偏振计PPS可以获取云及行星的偏振信息数据。X西北大学的Lee.J.K等学者研制的全息偏振计对测试效率和精度的提高有了较大的贡献。Egan利用不同物质具有不同的偏振度对飞机和其他军事目标进行了偏振特性的研究，为军事上防伪装提供了一条新的思路。Liu通过偏振遥感测量海洋大气浮沉，解释了海洋表面红移现象的原因[8]【9】

　　在国内，偏振遥感的研究首先是从多角度遥感开始的。上世纪末，中国科学院以金锡锋为代表的一批科学家经过了长期研发研制了二向反射光度计【10】。在此基础上，东北师范大学的赵云升教授及其小组通过对土壤、海水、植物单叶等典型目标地物的测量获得了大量的地物偏振反射光谱数据库【11】。北京大学的赵虎等人在系统研究了花岗岩、橄榄岩、玄武岩等岩石在2π空间内多角度偏振反射光普，建立了岩石在2π空间内的多角度反射光谱模型[12]。此外，中国科学院安徽光机所、北京航空航天大学赵慧洁[13]，浙江大学李宇波[14]等都在偏振遥感方面做了大量工作并取得了一系列成果

　　模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质,是月球样品的地球化学复制品。月壤粗略可以分为低钛玄武岩质月壤、高钛玄武岩质月壤和斜长岩质月壤三种类型。月表的矿物相对地球比较简单，主要有斜长石、辉石、橄榄石、钛铁矿和由它们集合成的撞击玻璃等[15]。这些矿物光普在光学波段范围内吸收特征主要由Fe的光子传输的控制，其次是Ti的影响。大部分的月球矿物的属种都能在地球上找到，我们可以方便地使用地球矿物样品代替月球真是矿物。我国中国科学院地球化学所的唐红等学者对月球样品进行了模拟，模拟出了颗粒表面含有一定含量的纳米金属铁的样品并对其进行了光谱分析【16】【17】。2012年吉林大学崔腾飞对月表矿物进行了模拟。从而解决了由于月球样品太少而无法保证能够直接研究其反应特性这一难题

　　2月表矿物

　　2.1月表典型矿物

　　月球的矿物可分为两类，一类是化学成分不变的矿物，一类是化学成分有规律地变化的矿物，依据科学家对月壤成分的分析得出月球的主要造岩矿物包括：斜长石、橄榄石、辉石、钛铁矿等成分，月壤是覆盖在月球表面上的一层直径小于1毫米，具有黏性的细小粒子。月壤具有非常丰富的稀有气体和金属铁矿等资源，我们可以通过专业仪器来分析月壤的成分及结构信息，但是由于科研人员带回的真实月壤比较少，所以在实验中我们需要对月壤进行模拟，使用模拟月壤进行光谱分析。大多数的矿物成分都可以在地球上找到，因此可以用地球真实的矿物代替月球矿物

　　2.2模拟月壤制作和分析

　　模拟月壤采样地点为吉林省辉南县红旗林场西侧，金龙顶子火山渣锥东侧3km处，吊水湖公路北山坡，主要采样成分为黑色火山渣，其岩矿特性见表1。

　　火山渣粒径较小，一般为几毫米至2cm，最大平均粒径15mm。采集时，尽量选择较大颗粒的火山渣；另外，尽量选择受人为和自然因素干扰较小的样品。

　　表1三种火山渣的岩矿鉴定结果

　　样品岩性斑晶基质

　　黑色火山渣玄武岩，填间结构/气孔构造辉石：解理发育且平直，平行，干涉色为鲜黄及浅黄，大小为1×2mm

　　橄榄石：鲜艳的二级干涉色，裂缝发育，大小为2.5×1.5mm。

　　气孔：为圆形或近于圆形，占40~70%

　　斑晶：含量约10%辉石或橄榄石成细小的晶体出现，大小<0.06mm，含量约为15%

　　浅黄色至黑色的玻璃质含量约为20%

　　根据月壤的物理、化学特征，经干燥后，分别按80目(最大粒径177微米)和200目(最大粒径74微米)的标准进行加工粉碎

　　我们所制作的模拟月壤样本，命名为JLU-1。表2显示的是本研究得到的模拟月壤样本（简称JLU-1）与CAS-1（郑永春,2005）、X模拟月壤JSC-1（Desai,et al.,1992）和Apollo 14采集的月壤样本（刘春茹等,2007）的主要成分。从表1可以看出，JLU-1模拟月壤与CAS-1、JSC-1模拟月壤和Apollo 14月壤样本的月壤化学成分相似，属于低钛月海型月壤。相关性分析结果（表3）表明，JLU-1、CAS-1、JSC-1模拟月壤与Apollo 14月壤样本主要成分的相关性非常高。三种模拟月壤中，JSC-1模拟月壤与Apollo 14月壤样本主要成分的相关性最高，达99.77%；CAS-1模拟月壤与Apollo 14月壤样本主要成分的相关性最差，但也达到98.47%

　　表2 JLU-1、CAS-1、JSC-1和Apollo 14月壤样本主要成分w/10-2

　　成分SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO

　　JLU-1 49.21 1.93 16.51 2.92 8.22 5.82

　　CAS-1 49.24 1.87 18.52 3.09 8.26 7.32

　　JSC-1 47.71 1.59 15.02 3.44 7.35 9.01

　　Apollo 14 48.10 1.70 17.40–10.40 9.40

　　成分CaO MnO Na2O K2O P2O5 LOS/LOI

　　JLU-1 6.03 0.17 4.40 2.78 0.67 0.0

　　CAS-1 4.11 0.19 3.69 1.38 1.28 1.02

　　JSC-1 10.42 0.18 2.70 0.82 0.66 0.11

　　Apollo 14 10.70 0.14 0.70 0.55 0.51微量

　　注：JLU-1模拟月壤样本由国土资源部长春矿产资源监督检测中心测试分析

　　表3 JLU-1、CAS-1、JSC-1和Apollo 14月壤样本的相关系数

　　样本名称JLU-1 CAS-1 JSC-1 Apollo14

　　JLU-1 1.0

　　CAS-1 0.9969 1.0

　　JSC-1 0.9896 0.9856 1.0

　　Apollo 14 0.9857 0.9847 0.9977 1.0

　　结果表明，本研究得到的样本可以作为模拟月壤物质，满足后续研究的需要。

　　2.3实验环境

　　我们的光谱实验平台是使用了一个大型的室内二向性反射分布函数测试终端，这一平台主要由三部分组成，分别为光源系统，探测系统和控制系统，这三个部分为这个装置的中心。我们使用卤素灯作为2π空间控制方向的天顶角的灯源并且用它来探测天顶角，纵波在探测方向上的天顶角的变化范围为0°到90°，横波在探测方向角上的角度变化为0°到360°。角度间隔为0.5°。波谱测试可以完美的应用于合适的光谱领域，为了获取样品的偏振光谱数据，我们需要使用一个光纤来连接偏振透镜装置、ASD FieldSpec3野外便携式光谱仪和室内大型BRDF装置。这个波谱仪器的光学相机具有一个偏振棱镜，并且光谱棱镜可以决定偏振角为0°到90°。通过设置RS3的操作软件的参数，从而在BRDF测试终端系统的操作控制系统中调整入射角、观测角、方位角和偏振角。设置天顶角的观测高度为20cm，根据每种矿物有着不同的反射率，从而通过偏振反射数据以提取有用信息。在测量前将装置预热10到30分钟并进行白板定标。白板应该被水平放置兵器完全遮盖透镜场，按照角度需要摆放传感器探头的位置，设置这一观测角为8°，收集各样本的光谱数据。为了减少光线的影响，所有样品的偏振光谱测量都应在暗室里进行[18][19]

　　3多角度反射特性实验模拟

　　3.2不同矿物的反射特性

　　本小节我们主要研究不同矿物的反射特性，因而将各矿物的各角度固定为：偏振角0°、入射角30°、出射角0°、方位角0°

　　图1

　　如图，橄榄石的反射率一直是最大的，在600nm、700nm、1900nm和2300nm附近达到反射峰。辉石反射率位居其次，在1750nm之前反射率逐渐增加，在1750nm达到反射峰，在1750nm之后反射率逐渐减小。高钛钛铁矿、低钛钛铁矿和粗糙月壤在0-1000nm的波长范围内反射率变化不明显，而在此范围内细致月壤的反射率逐渐增加。在1000nm之后，粗糙月壤的反射率逐渐增加，高钛钛铁矿、低钛钛铁矿和粗糙月壤的反射率呈平缓状态，其中低钛钛铁矿的反射率稍呈上升，粗糙月壤的反射率稍呈下降状态

　　3.3基于模拟月壤的二向反射特性

　　每次观测时，和样品的反射率相关的有四个角度：入射角、出射角、方位角、相位角，我们以上一节的模拟月壤为样品来进行实验

　　入射角固定不变；偏振角变化为0°到90°，角度间隔为90°；出射角变化为30°到60°，角度间隔为15°；偏振角变化为0°到180°，角度间隔为45°

　　在实验中分别改变四个角度（出射角、入射角、偏振角、方位角），并总结月壤样品反射率的变化规律

　　3.3.1.出射角对反射光谱的影响

　　改变月壤的出射角，固定其偏振角和入射角，观察方位角变化时的样品反射率变化，其中又分为两组，一组为固定偏振角为0°，入射角30°时随着方位角变化的样品反射率变化；另一组为固定偏振角为90°，入射角30°时随着方位角变化的样品反射率变化

　　偏振角（°）入射角（°）方位角（°）

　　0 30 0

　　90 30 0

　　表1.出射角变化

　　如表，我们研究出射角变化时的月壤的光谱特征曲线，我们选取固定入射角为30°，方位角为0°时的波谱进行分析

　　图2

　　当偏振角为0°时，在0-1000nm的波长范围内，出射角为30°的反射率最低，出射角为60°的样品反射率与其近乎一致，出射角为45°时候的反射率最大；在1000-1300纳米的范围内，改变出射角对于样品反射率的影响不大；在1300-2400纳米的范围内。出射角为45°的样品反射率最低，出射角为30°和60°的两组反射率近乎一致

　　因此从整个分析看来，在1000纳米范围内，出射角为45°的反射率最大，在1000纳米以外的波长则其反射率最小，在整段波长中，出射角为30度和60°的样品反射率都近乎一致。月壤的反射率随着出射角的变化呈平滑变化，吸收谷、反射峰没有明显的变化，且绝大部分波长处反射率变化程度接近

　　图3

　　当偏振角为90°时，在0-1000nm的波长范围内，出射角变化对反射率的影响较小，当出射角为0°，30°和60度时的波谱曲线几乎一致。在1000nm-2400nm之间出射角为30°和45°的样品的波谱曲线几乎重合，二出射角为60°的样品的反射率最高

　　从整体看来，出射角为30°和45°的样品的波谱曲线几乎重合，出射角为60°的反射率在1000nm以内与其他两组几乎重合，在1000nm时反射率达到最大值0.02，1000nm之后整体反射率呈下降趋势，但出射角为60°的样品反射率依然高于其他两组的反射率

　　总之，无论在在偏振角为0°还是90°时，光谱反射率随着出射角的变化趋势都基本一致，吸收谷和反射峰没有明显变化

　　3.3.2.方位角对反射光谱的影响

　　改变样品的方位角，固定偏振角和入射角，观察方位角变化时的样品反射率变化，其中分为两组，一组固定偏振角为0°，入射角30°时随着出射角变化的样品反射率变化；另一组为固定偏振角为90°，入射角30°时随着出射角变化的样品反射率变化

　　偏振角（°）入射角（°）出射角（°）

　　0 30 60

　　90 30 60

　　如表，我们研究方位角变化时的月壤的光谱特征曲线，我们选取固定入射角为30°，出射角为60°时的波谱进行分析

　　图4

　　当偏振角为0°时，在0-1400nm的波长范围内，方位角为180°的反射率最大，方位角为0°的反射率最小，其他角度的方位角反射率介于两者之间。在1400-2400nm的范围内，方位角为90°的波谱反射率最大，方位角为0°的反射率最小

　　总之，在整个波谱上，方位角为0°的样品反射率最低，方位角为180°和90°的样品的反射率分别在前半段和后半段波谱中最高

　　图5

　　当偏振角为90°时，在0-1000nm的波长范围内，方位角为45°的反射率最小，方位角为180°的反射率最小，其他角度的方位角反射率介于两者之间。在1000-1400nm的范围内，方位角为45°和90°的样品的波谱反射率最小，方位角为180°的反射率最小，其他角度的反射率处于二者之间；在1400-2400nm之间的范围内，0°,45°,90°的样品的波谱分反射率基本上一致且稍低，135°和180°的样品的波谱的反射率基本上一致且相对较高

　　总之，无论在偏振角为0°还是90°时，方位角为180°时的样品的反射率基本上都是最大的，光谱反射率随着方位角的变化趋势都基本一致，吸收谷和反射峰没有明显变化

　　3.3.3偏振角对反射光谱的影响

　　出射角（°）入射角（°）方位角（°）

　　0 30 0

　　45 30 0

　　60 30 0

　　我们研究偏振角变化时的月壤的光谱特征曲线，选取固定入射角为30°，方位角为0°时的波谱进行分析

　　图6

　　入射角为30°，方位角为0°，出射角为0°时不同偏振角的光谱反射率几乎一致，只有在1800-2400nm波长的时候偏振角为90°的反射率稍高于偏振角为0°的样品反射率

　　图7

　　入射角为30°，方位角为0°，出射角为45°时不同偏振角的光谱反射率变化趋势几乎一致，偏振角为90°时的样品反射率较高，而偏振角为0°时的反射率较低

　　图8

　　为入射角为30°，方位角为0°，出射角为60°时的波谱曲线，在0-1800nm范围内偏振角为90°时的样品反射率较高，而偏振角为0°时的反射率较低，在1800-2400nm的范围内偏振角为90°和0°的样品的反射率基本一致

　　总之，当入射角为30°，方位角为0°，出射角分别为30°、45°、60°时随着偏振角的改变月壤反射率的变化趋势基本一致，吸收谷和反射峰没有明显变化，但偏振角为90°时的样品反射率一般都略高于偏振角为0°时的反射率

　　3.4偏振反射特性（4种岩石，表格+图+文字）

　　3.4.1钛铁矿（低钛）

　　低钛偏振角改变

　　选取入射角30°出射角30°方位角0°时低钛钛铁矿样品振角改变进行分析。在0-1000nm的范围内，偏振角为0°的样品反射率高于偏振角为0°时的样品的反射率，在1000-1300nm和1900-2400nm的波段范围内偏振角的改变对样品反射率的改变影响不大；在1300-1900nm的波长范围内，偏振角为90°的样品的反射率高于偏振角为0°的样品的反射率

　　取入射角30°出射角60°方位角0°的样品进行分析。在整个波长范围内偏振角为90°的样品的反射率高于0°的反射率

　　3.1光谱拟合

　　光谱特征拟合SFF是一种基于光谱吸收特征匹配的遥感分类方法，在匹配前影像像元光谱与参考光谱要经过连续统去除处理，然后用最小二乘法拟合像元光谱和参考光谱经连续统去除后的曲线。对于每个像元光谱输出一个拟合值和一个均方根误差RMS值，整幅影像即输出拟合影像和RMS影像。拟合较高且RMS值较小的像元光谱与参考光谱较匹配

　　该节我们对五种矿物进行光谱拟合的分析，每种矿物拿出三组进行分析，三组分别为：

　　入射角为30°，方位角为0°，出射角为0°

　　入射角为30°，方位角为0°，出射角为45°

　　入射角为30°，方位角为0°，出射角为60°

　　便于与上一小节未进行光谱拟合的图像进行比较

　　本文研究的课题是月表典型矿物的多角度偏振特性研究，我们首先根据真实月壤成分制作了模拟月壤，其中模拟月壤的主要矿物成分为高钛、低钛钛铁矿，辉石、橄榄石。我们主要进行了以下几个方面的实验

　　（1）固定所有矿物的观测角来分析在不同波长范围内不同矿物的反射率变化

　　（2）分别改变模拟月壤样品的入射角、方位角、偏振角，分析在不同波长范围内样品的反射率变化

　　（3）固定各矿物的出射角、入射角、方位角，分析偏振角变化对各矿物反射率的影响

　　（4）对各矿物的反射波谱进行了光谱拟合操作，并将未经拟合的反射波谱与经过拟合的波谱数据进行对比

　　通过实验得到的结论为

　　当涉及矿物的偏振角单调变换时，反射率不是随之单调变化，而是呈震荡式变化，不同矿物的震荡幅度不同。且观测的几何条件不会使矿物的反射峰和吸收谷发生明显变化，因而对矿物来说决定其反射率的不完全是观测几何条件。经过拟合后的数据去除了会干扰实验结果的一些小的反射峰和吸收谷

　　该整个研究过程中

　　（1）在地面光谱仪观测的实验中，还存在着与仪器相关参数的问题，比如曝光的时间，平均次数及测试的精确度等，以保证实验的精准性

　　（2）矿物反射光谱的二向性的特征研究尚处于基础阶段，还需进行更深入的研究

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