电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响.pdf

中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1 1 2 4-1 3 4C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yI S S N1 0 0 0-7 5 8 X C N1 1-1 8 5 9/Vh t t p:z g k j.c a s t.c nD O I:1 0.1 6 7 0 8/j.c n k i.1 0 0 0-7 5 8 X.2 0 2 4.0 0 1 4电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响袁立男1,*,廖静娟2,董书莉1,武文波1,贺强民11.北京空间机电研究所,北京1 0 0 0 9 42.中国科学院 空天信息创新研究院,北京1 0 0 0 9 4摘 要:月基对地观测是一种全新的空间观测手段,其将月球作为搭载平台对地球进行持续长期观测,具有超大可观测范围、高测绘带幅宽、多角度成像、高时间分辨率和长使用寿命等优势。地球电离层位于地表以上至1 0 0 0 k m的高空区域,是影响月基对地观测成像质量的重要因素。为探索月基对地观测平台下热红外及微波辐射传输特性,研究开展了地球电离层对月基对地观测平台热红外和微波辐射成像影响分析的工作,并模拟不同纬度区域月基微波辐射亮温衰减值。首先根据C h a p m a n分布定量化分析电离层电子浓度、折射率变化规律,再结合观测天顶角、碰撞频率等参数计算穿过电离层过程中不同高度处衰减及传输路径,最终采用积分方式获取热红外和微波在电离层中能量衰减量。结果表明,月基对地观测平台热红外和微波成像链路中电离层中造成的能量衰减与碰撞频率、热红外波长和观测天顶角有关,且地球电离层对月基对地观测平台微波成像的影响大于热红外成像的影响。此外,低纬度区域月基微波辐射受电离层衰减影响较大,月基微波亮温值降低约1.3 0 4K;中纬度次之。关键词:月基对地观测;热红外;微波;电离层;能量衰减;折射率中图分类号:P 4 0 7.1 文献标识码:A收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 6;修回日期:2 0 2 2-0 6-0 8;录用日期:2 0 2 2-0 6-1 0基金项目:国家自然科学基金重大项目(4 1 5 9 0 8 5 5);中国科学院前沿科学重点研究计划项目(QY Z D Y-S SW-D Q C 0 2 6)*通信作者.E-m a i l:y u a n l n r a d i.a c.c n引用格式:袁立男,廖静娟,董书莉,等.电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响J.中国空间科学技术,2 0 2 4,4 4(1):1 2 4-1 3 4.YUAN L N,L I AO J J,D ON G S L,e t a l.I n f l u e n c e o f i o n o s p h e r e o n r a d i a t i o n i m a g i n g f o r M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n p l a t f o r mJ.C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 4,4 4(1):1 2 4-1 3 4(i n C h i n e s e).I n f l u e n c e o f i o n o s p h e r e o n r a d i a t i o n i m a g i n g f o r M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n p l a t f o r mY U A N L i n a n1,*,L I A O J i n g j u a n2,D O N G S h u l i1,WU W e n b o1,H E Q i a n g m i n11.B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e M e c h a n i c s&E l e c t r i c i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 9 4,C h i n a2.A e r o s p a c e I n f o r m a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s,B e i j i n g 1 0 0 0 9 4,C h i n aA b s t r a c t:M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n i s a n e w s p a c e o b s e r v a t i o n m e t h o d,w h i c h c o n d u c t s c o n t i n u o u s a n d l o n g-t e r m o b s e r v a t i o n s o f t h e E a r t h t h r o u g h t h e M o o n p l a t f o r m.I t h a s u n i q u e d i s a d v a n t a g e s s u c h a s l a r g e v i e w i n g a n g l e,h i g h w i d t h,m u l t i-a n g l e i m a g i n g,h i g h t i m e r e s o l u t i o n,a n d l o n g d e s i g n l i f e.T h e i o n o s p h e r e i s l o c a t e d i n t h e h i g h-a l t i t u d e a r e a u p t o 10 0 0k m a b o v e t h e E a r t h s s u r f a c e,a n d i t i s a n i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t h e q u a l i t y o f M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n i m a g i n g.T o e x p l o r e t h e t h e r m a l i n f r a r e d a n d m i c r o w a v e r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c f o r M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n,t h e i o n o s p h e r e i n f l u e n c e o n m i c r o w a v e i m a g i n g f o r M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n p l a t f o r m w a s a n a l y z e d,a n d t h e a t t e n u a t i o n v a l u e i n m i c r o w a v e r a d i a t i o n b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e u n d e r d i f f e r e n t l a t i t u d e a r e a s w a s s i m u l a t e d.F i r s t,t h e i o n o s p h e r i c e l e c t r o n c o n c e n t r a t i o n a n d t h e r e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e l a w w e r e e s t i m a t e d b a s e d o n t h e C h a p m a n d i s t r i b u t i o n.T h e n t h e a t t e n u a t i o n f o r d i f f e r e n t h e i g h t s a s w e l l a s t r a n s m i s s i o n p a t h s d u r i n g i o n o s p h e r e p a s s i n g t h r o u g h 袁立男,等:电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响1 2 5 w e r e c a l c u l a t e d,w h i c h u s e d t h e o b s e r v e d z e n i t h a n g l e,c o l l i s i o n f r e q u e n c y,e t c.F i n a l l y,t h e i n t e g r a t i o n m e t h o d w a s a d o p t e d t o o b t a i n t h e t h e r m a l i n f r a r e d a n d m i c r o w a v e e n e r g y a t t e n u a t i o n i n t h e i o n o s p h e r e.R e s u l t s s h o w t h a t t h e t h e r m a l i n f r a r e d a n d m i c r o w a v e e n e r g y a t t e n u a t i o n i n t h e i o n o s p h e r e o f M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n p l a t f o r m d e p e n d s o n t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y,b a n d,a n d v i e w i n g z e n i t h a n g l e.T h e i o n o s p h e r e h a s g r e a t e r e f f e c t o n t h e r m a l i n f r a r e d i m a g i n g t h a n m i c r o w a v e i m a g i n g f o r M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n.I n a d d i t i o n,t h e M o o n-b a s e d m i c r o w a v e b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e v a l u e i n t h e l o w l a t i t u d e r e g i o n s i s g r e a t l y a f f e c t e d b y t h e i o n o s p h e r e a t t e n u a t i o n w i t h a d e c r e a s e o f a b o u t 1.3 0 4K,f o l l o w e d b y t h e m i d-l a t i t u d e r e g i o n s.K e y w o r d s:M o o n-b a s e d E a r t h o b s e r v a t i o n;t h e r m a l i n f r a r e d;m i c r o w a v e;i o n o s p h e r e;e n e r g y a t t e n u a t i o n;r e f r a c t i v e i n d e x0 引言作为地球唯一的天然卫星,月球距地球约3 8 4 4 0 0 k m,同时月球自转与公转是精确同步的,月球保持同一侧面面向地球。通过布设各种可见光、热红外和主被动微波遥感器对地球的陆表、海表以及大气层进行全面、持续且长期的观测,即为月基对地观测。相比于传统极轨卫星、静止卫星和航空对地观测平台,月基对地观测的成像范围、测绘带幅宽和观测角度远大于已有平台,一景影像覆盖地球半球范围。月球的公转轨道特性稳定,平台使用寿命将远大于人造卫星平台。未来月球对地观测平台步入正轨后,不仅能够获取长期、连续以及全球大尺度的对地观测数据,还可以与现有极轨卫星、静止卫星以及航空观测平台结合,为全球变化研究提供充足的数据和技术支持,这也展现了月基对地观测在全球变化监测中的独特优势。月基对地观测尚处于理论研究阶段,已开展的研究工作集中于月基平台观测可行性、观测性能、成像模拟和潜在应用等。国外主要针对月基可见光、近红外和合成孔径雷达(S A R)的观测特性进行初步分析,研究集中于2 0 1 5年之前且发表相关成果较少。J o h n s o n等1提出月基可见光/近红外仪器对地观测的科学思路,并对部分限制因素如空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率进行了初步探讨。F o r n a r o等2对比分析了星载S A R与月基S A R系统的性能,阐述了月基合成孔径雷达系统的性能与潜在应用。国内的郭华东院士团队正式提出了月基对地观测的概念,并针对月基对地观测平台“在哪看”、“看什么”和“怎么看”开展大量研究工作。郭院士等严格推导了月基S A R系统的可视范围与可观测天数、空间分辨率和测绘带幅宽等参数。结果表明月基对地观测在固体地球动力学、地球辐射能量平衡、地球环境系统和地球空间环境等宏观科学现象研究中具有潜在意义3-8。此外,郭院士团队还开展了月基对地观测平台遥感数据模拟和遥感应用研究。Y e等9和R e n等1 0-1 1基于J P L星历表建立一种月基对地观测模拟系统,定量分析了月基对地观测平台观测地表的范围和持续观测时间。N i e等1 2根据月基对地平台一景影像覆盖地球1 2个时区的特点,提出一种高精度的地表温度日变化模型,模拟月基对地观测平台任意时间段的全球地表温度时空分布数据集。Y u a n等1 3评估了影响月基对地观测平台微波辐射成像的4种影响因素,即时区校正、地月相对运动、电离层和大气辐射传输,模拟了月基对地观测平台下微波辐射影像。X u等针对月基S A R(L波段)和低频星载S A R(P波段)系统的特性,分析了时空变化背景电离层效应对其成像性能的影响1 4-1 5。地球电离层主要分布于地表8 0k m以上至数千米的高空大气区域,地表发射辐射以及反射的大气辐射均须穿过厚厚的电离层后被月基对地观测平台遥感器接收。综合国内外研究现状可以发现,地球电离层对月基对地观测平台成像影响的研究工作较少且多集中于S A R系统,而对于热红外和被动微波成像的分析尤其缺乏,同时对于电离层空间不一致性研究较少。因此研究以热红外和微波波段为对象,深入分析地球电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响。1 电磁波在电离层中传输特性地球与月球相距3 8 4 4 0 0k m左右,月球围绕地球以椭圆轨道公转,该轨道靠近黄道面,1 2 6 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1同时月球自转公转又是精确同步的,周期均为2 7.3 2天。故月球总以一侧面面向地球,月基对地观 测 遥 感 器 将 被 放 置 在 月 球 的 这 一 侧。根据地球与月球的相对位置关系,月基对地观测平台获取一幅影像约覆盖地球半球范围,同时由于地球和月球的自转和公转,两者的相对位置时刻发生变化,导致月基对地观测星下点位置、成 像 位 置 和 对 地 观 测 区 域 不 断 变 化。图1为任意时刻地球与月球相对位置的简化图,其中E F为地球自转轴,O和B分别表示地球和月球质心,A是地表任意一点,H为A在黄道面上的投影,O B与地表的交点D为月球星下点,微波或热红外辐射的入射角可根据地球与月球相对位置关系求解。研究采用喷气推进实验室(J P L)高精度星历数据、日期、时间等模拟月基对地观测星下点位置和月基成像覆盖范围,然后结合局部经纬度和地球曲率信息详细计算了成像范围内太阳高度角和观测天顶角的数值,并作为模拟电离层对月基对地观测平台辐射成像影响的输入参数。图1 地月相对位置示意F i g.1 T h e r e l a t i v e p o s i t i o n b e t w e e n t h e E a r t h a n d t h e M o o n 电离层,又名等离子层,是地球大气环境的重要组成部分。从地表约8 0k m开始延续到10 0 0 k m高度的高空大气区域,受到太阳高能辐射和宇宙线对原子与空气分子的电离作用,大气层中包含大量电离状态的自由电子与离子。根据电离层高度与电子浓度差异,可以将电离层分为D层、E层、F 1层和F 2层。电离层各层之间性质存在差异,且各层电子浓度随时间变化,夜晚与白天不尽相同,而且同一高度不同位置的地表区域电子浓度是非均匀的。电离层电子浓度与电磁波传播的折射率息息相关,地表电磁辐射在穿过电离层到达月基平台的过程中,传播轨迹会产生一定的偏折,偏折量的大小与对应电离层折射率变化的具体数值有关。此外,热红外和微波通过电离层时将受到电离层中自由电子、离子的相互碰撞作用,造成入射热红外和微波辐射能量产生一定的衰减。因此,为定量化分析地球电离层对月基对地观测平台下辐射传输的影响,首先需确定热红外和微波在电离层中传输路径,再根据传输路径依次计算热红外与微波能量衰减的数值1 7-2 3。电离层电子浓度与高度、时间变化和空间位置有关,而相对于时间和空间差异,高度是影响电离层电子浓度的主要因素。研究忽略电子浓度的时间与空间差异,采用C h a p m a n分布与扩散平衡相结合的方法模拟电离层电子浓度分布情况2 4。其中,NEm、hEm为E层最大电子浓度及相应高度,NF 2m、hF 2m为F 2层最大电子浓度及相应高度,yEm、yF 2m分别为E层和F 2层半厚度,hj为电离层高度,相应电子浓度为Nj,假设hj以下为线性分布,hj高度以上为抛物线分布,H可表示为H=1.6 63 0+0.0 7 5hF 2m-2 0 0 。E层袁立男,等:电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响1 2 7 和F 2层最大电子浓度可分别通过临界频率fE0、fF 20计算获取,电离层特性相关数据来源于国家科技基础条件平台-国家地球系统数据共享平台-地球物理 科学数据 中心(h t t p:/g e o s p a c e.g e o d a t a.c n/)1 6。电离层折射率随着电子浓度的改变而变化,入射热红外或微波在通过不同折射率的介质将发生折射现象2 5-2 7,从而导致传播路径发生一定偏折。折射率公式如下:Ne=NEm1-h-hEmyEm 2,hEm-yEmhhEmNj-NEmhj-hEmh+NEmhj-NjhEmhj-hEm,hEmhhjNF 2m1-h-hF 2myF 2m 2,hjhhF 2mNF 2me x p121-h-hF 2mH-e x p-h-hF 2mH ,hF 2mh1 0 0 0 n=1-2p2p=eNem 0式中:n为电磁波在电离层中的折射率;p为等离子体频率;为入射微波角频率;e为元电荷,m为电子质量;0为真空介电常数;Ne为电离层电子浓度。通常,电离层中大量自由电子、离子处于不规则运动状态中,一旦热红外或微波入射进入电离层,自由电子发生振动,并与电离层中其他粒子以及热红外和微波相互碰撞,使得热红外和微波辐射能量产生吸收衰减作用2 8-3 2。吸收衰减量与电子浓度成正比,故电磁波在电离层中不同高度处衰减存在一定差异,衰减系数随高度的变化可表示为:=2c1-2p2+v2m 2+vm2p2+v2m 2-1-2p2+v2m 1/2式中:vm为等离子体碰撞频率。沿着热红外和微波在电离层中传播路径进行积分,可得到地面热红外和微波辐射在通过电离层整个过程中产生的能量衰减影响。热红外和微波在地球电离层中的能量衰减为:A t t e nd b =8.6 8sc o sf,s ds式中:为观测天顶角;s为热红外和微波在电离层中的传播路径。同时,已知P0是初始进入电离层时入射电磁波辐射能量(常通过亮度温度表示),Po u t是通过电离层作用后电磁波辐射能量,即月基对地观测平台热红外和微波遥感器天线系统3 3-3 5接收亮温,热红外和微波在地球电离层中能量衰减还可通过P0与Po u t计算。综合可以得出通过电离层后月基热红外和微波辐射模拟结果以及电离层对月基对地观测平台辐射成像的衰减影响,计算如下:A t t e nd b =1 0 l gP0Po u t 针对月基对地观测平台下辐射成像特点,研究考虑地月相对运动规律、大气辐射传输及电离层衰减影响,构建了月基对地观测平台成像模拟模型,且基于全球表层温度数据产品模拟了月基对地观测图像。这里以微波为例,月基对地观测平台微波成像模拟模型主要包括三个模块:一是全球表层温度数据的获取,作为模拟的基础数据;二是月基对地观测成像条件的考虑,包括时区校正、地月相对位置关系、大气路径作用和电离层影响;三是考虑微波辐射计系统响应,获取月基对地观测平台遥感器输出图像。全球表层温度数据主要由MO D I S 全球地表温度产品和海表温度产品融合获取,月基对地观测成像条件的分析是此成像模拟模型的核心,亦是月基对地观测平台区别于其他对地观测平台的根本。根据地球与月球的相对位置关系,月基对地观测平台获取一幅影像约覆盖地球半球范围,跨越1 2个时区,同时由于地球和月球的自转和公转,两者的相对位置时刻发生变化,导致月基对地观测星下点的位置、成像位置和对地观测区域不断变化。因此,研究基于温度日变化模型进行时区校正处理,将不同时刻获取的全球表层温度数据归一化到同一个UT C时刻的温度。随后使用J P L星历数据、日期、时间等计算了月基对地观测星下点位置和月基成像覆盖范围,然后结1 2 8 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1合局部经纬度和地球曲率信息详细计算了成像范围内太阳高度角和观测天顶角的数值,并作为模拟月基对地观测平台微波辐射亮温影像的角度输入参数。接下来考虑大气辐射传输及电离层衰减作用,并结合微波辐射计天线系统响应,获取月基对地观测平台下成像结果。对于全球大尺度下 电 离 层 分 析,电 离 层 的fE0、hEm、yEm、fF 20、hF 2m、yF 2m等参数在不同纬度区域存在差异,故研究采用不同纬度区域的电离层特性参数模拟电离层衰减影响。以上所有模拟过程均基于e n v i二次开发语言I D L实现。2 数值模拟与分析2.1 电离层电子浓度与折射率模拟结果对于常见的低轨道运行卫星平台,轨道高度的限制使得遥感成像过程中无需考虑地球电离层的影响,月基对地观测平台位于地球电离层之外,地面微波辐射以及大气微波辐射均需通过电离层作用后到达月基平台传感器。研究基于C h a p m a n分布与扩散平衡相结合的方法,模拟了电离层中电子浓度分布情况,如图2所示。由图可知,电离层电子浓度与高度存在一定相关性,在高度约2 8 0 k m处,电离层电子浓度达到最高,约为1.6 41 01 2/m3。当高度小于2 8 0k m时,电子浓度随着高度的增加而增加,且变化率不断改变;当高度大于2 8 0 k m后,电子浓度缓慢减小直至趋近于零,且变化速率逐渐减小。图2 电离层电子浓度随高度变化情况F i g.2 T h e c h a n g e o f e l e c t r o n i c c o n c e n t r a t i o n i n t h e i o n o s p h e r e w i t h h e i g h t随后,根据折射率与电子浓度的理论公式,研究分析了地球电离层折射率的变化情况,进而依据折射定律计算热红外和微波穿过电离层过程中的偏折情况以及传播路径。选取了常用的热红外波段,波长范围为81 4.4m,以及6个常用被动微波观测波段,即6.9GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z、3 6.5GH z和8 9.0GH z,对其在电离层中折射率进行分析。图3为月基对地观测平台下常用被动微波波段在电离层中折射率的变化情况。结果表明,微波穿过电离层的折射率在2 8 0 k m附近高度处最小,即电子浓度最高的区域,其余高度均随着与2 8 0k m高度差增加而减小。通过比较6个微波频率通道的电离层折射率可知,低频率通道(6.9GH z)折射率的最小值为0.9 9 9 9 9 8,高频率通道(8 9GH z)折射率的最小值约为1,表明高频微波通道的电离层折射率稍大于低频通道。总体来看,6.98 9GH z等6个频率通道的电离层折射率均大于0.9 9 9 9 9,趋近于1。因此,对于常见的被动微波观测通道,在通过电离层到达月基对地观测平台遥感器的过程中,传播路径几乎不发生偏折,近似可看成沿直线传播。在计算月基对地观测平台微波成像链路中电离层造成的辐射能量衰减过程中,只需将不同高度处衰减系数沿着微波在电离层中直线传播路径积分即可。对于热红外波段,其频率远大于常用的被动微波遥感观测频段,电离层折射率理论上更接近1。经过数值模图3 不同微波频率下电离层折射率变化情况F i g.3 T h e r e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e s o f t h e i o n o s p h e r e u n d e r d i f f e r e n t f r e q u e n c y袁立男,等:电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响1 2 9 拟可知,热红外穿过地球电离层到达月基对地观测平台 遥 感 器 的 过 程 中,传 播 路 径 亦 近 乎 为直线。2.2 月基对地观测平台热红外成像链路中电离层衰减结果 基于上述电磁波在电离层中传播理论,研究分析了热红外辐射穿过电离层到达月基对地观测平台过程中能量衰减量。图4为月基对地观测平台热红外成像链路中电离层造成的能量衰减与电离层电子碰撞频率的关系,其中(a)(d)分别表示常用热红外波段1 0m、1 1m、1 2m和1 3m。由图可知,月基对地观测平台下热红外波段在电离层中能量衰减随着电子碰撞频率的增加而不断降低,衰减量级为1 0-6。当电离层电子与离子碰撞频率由0增加至1 0 0 0 0MH z,1 0m、1 1m、1 2m和1 3m在电离层中能量衰减 最 大 值 分 别 为0.9 51 0-6d B、0.9 01 0-6d B、0.8 51 0-6d B和0.8 01 0-6d B,随着碰撞频率的增加而减少。通过比较4种不同热红外波段的能量衰减,1 0m的能量衰减整体相对较大,1 1m和1 2m次之,1 3m最小,表明月基对地观测平台热红外成像链路中电离层造成的能量衰减与热红外波长存在负相关关系。图5为不同观测天顶角下热红外能量衰减与波长的关系。结果显示,对于81 4.4m的热红外波段,热红外能量衰减随着波长的增加而不断降低,且降低速率基本保持稳定。当热红外波长为81 4.4m时,5 0 8 0 观测天顶角下的能量衰减最大值分别为1.6 01 0-6d B、2.1 01 0-6d B、3.0 51 0-6d B和6.0 01 0-6d B,最小值分别为1.2 51 0-6d B、1.6 01 0-6d B、2.3 01 0-6d B和4.4 01 0-6d B。通过比较4种不同观测天顶角下的热红外能量衰减,表明大观测天顶角下热红外能量衰减较大,小观测天顶角下热红外能量衰减较小,且观测天顶角较大时变化速率较高。综上所述,月基对地观测平台热红外成像链路中电离层造成的能量衰减相对较小。地球电离层内电子离子碰撞频率理论上小于1 0 0 0MH z3 6,故大范围观测天顶角下的热红外能量衰减在1.0 01 0-66.0 01 0-6d B,可忽略不计。图4 热红外在电离层中能量衰减随碰撞频率的变化情况F i g.4 T h e e n e r g y a t t e n u a t i o n o f t h e r m a l i n f r a r e d i n t h e i o n o s p h e r e v s.t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y图5 热红外在电离层中能量衰减F i g.5 T h e e n e r g y a t t e n u a t i o n o f t h e r m a l i n f r a r e d i n t h e i o n o s p h e r e2.3 月基对地观测平台微波成像链路中电离层衰减结果 研究分析了微波在电离层中能量衰减随电离层中自由电子与离子碰撞频率的关系,如图6所示,其 中(a)(f)分 别 表 示6.9 GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z、3 6.5GH z和8 9.0GH z等6个频率通道。结果表明,当电离层电子与离子碰撞频率在08 0GH z之间,微波在电离层中衰减保持先增加再减少的趋势,而且微 波 频 率 越 低,变 化 趋 势 愈 明 显。对 于6.9GH z频率通道,碰撞频率小于1 0GH z时,电离层导致的微波能量衰减随着碰撞频率的增加而迅速增加;此后,随着碰撞频率的增加而不断减小。1 0.8GH z频率通道在电离层中衰减临界碰撞频率在1 2GH z左右,且衰减变化率小于1 3 0 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.16.9GH z频率通道。1 8.7GH z和2 3.8GH z频率通道在电离层中衰减临界碰撞频率分别在2 0GH z和3 0GH z左右,衰减变化率逐渐减小。3 6.5GH z和8 9.0GH z频率通道在电离层中衰减临界碰撞频率均大于4 0GH z。地球电离层内自由电子、离子碰撞频率小于1 0 0 0MH z,基于此碰撞频率结果,模拟了月基对地观测平台下微波在电离层中能量衰减结果。图6 微波在电离层中能量衰减随碰撞频率的变化情况F i g.6 T h e m i c r o w a v e e n e r g y a t t e n u a t i o n i n t h e i o n o s p h e r e v s.t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y月基对地观测一景影像覆盖地球表面二分之一的区域,由于地月相距3 8 4 4 0 0k m左右,成像范围内观测天顶角位于09 0,故研究分析了微波在电离层中衰减与观测天顶角的变化情况。对于常见的被动微波遥感探测波段6.9GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z和3 6.5GH z等,当月基对地观测平台的观测天顶角小于5 0 时,电离层造成的微波能量衰减基本保持稳定,变化较小。当观测天顶角大于5 0 时,电离层造成的微波能量衰减随着天顶角的增加而不断增加。此外,在相同观测天顶角条件下,电离层对不同微波频率的 能 量 衰 减 由 大 到 小 依 次 为:6.9GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z和3 6.5GH z,表明电离层对月基对地观测平台下高频率微波通道的衰减影响大于低频率通道。由于被动微波传感器获取数值为亮度温度,研究采用微波成像模拟的方法定量分析了电离层衰减影响对月基对地观测平台微波成像结果的影响。根据月基对地观测平台微波辐射成像特点,综合考虑时区校正、地月相对运动、大气层、电离层和微波辐射计系统响应等因素的影响,利用全球表层温度数据模拟了2 0 0 5年1月1日任意时刻的月基对地观测平台微波辐射亮温影像。数据包含6个频率,分别为6.9GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z、3 6.5GH z和8 9.0GH z。图7为2 0 0 5年1月1日8:0 0的月基对地观测平台微波辐射亮温模拟影像。由图可知,随着微波频率的增大,模拟影像的亮温值逐渐增大,而且各大洲轮廓显著,此现象与人造卫星获取的微波辐射亮温数据保持一致。对于6.9G H z、1 0.8GH z和1 8.7GH z三个频率通道,月基对地观测平台下海表微波辐射亮温模拟值明显低于陆表,海陆边界区分明显。对于2 3.8GH z和3 6.5GH z频率通道,月基对地观测平台下海表微波辐射亮温模拟值明显增加,与陆表亮温模拟值差异减小。研究选取了三亚、武汉、北京和漠河等不同纬度区域的5 8 0个采样点,对比穿过电离层前后的微波辐射亮温模拟结果,得到电离层对月基微波辐射成像不同通道亮温模拟值的影响,如表1所示。随着入射微波频率的增加,电离层对月基对地观测平台下微波辐射亮温的衰减影响逐渐减小,6.9GH z、1 0.8GH z、1 8.7GH z、2 3.8GH z、3 6.5GH z和8 9.0GH z等频率通道 的亮温衰减均值分别为2.3 8 5 K、0.9 6 6 K、0.2 8 5 K、0.1 4 1K、表1 电离层对月基微波辐射成像不同通道亮温模拟结果的影响T a b l e 1 T h e i o n o s p h e r i c i n f l u e n c e o n t h e b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e s i m u l a t i o n o f M o o n-b a s e d m i c r o w a v e i m a g i n gF r e q u e n c y/GH zC h a n g e s o f b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e/KS a n y a W u h a n B e i j i n g M o h e A v e r a g e6.94.8 2 0 2.8 2 4 0.9 6 5 0.9 3 0 2.3 8 51 0.81.9 6 7 1.1 4 6 0.3 7 5 0.3 7 4 0.9 6 61 8.70.6 2 3 0.3 5 4 0.0 8 9 0.0 7 4 0.2 8 52 3.80.3 3 6 0.1 9 6 0.0 0 3 0.0 2 8 0.1 4 13 6.50.0 7 9 0.0 3 9 0.0 0 0 0.0 0 0 0.0 3 08 9.00.0 0 0 0.0 0 0 0.0 0 0 0.0 0 0 0.0 0 0A v e r a g e1.3 0 4 0.7 6 0 0.2 3 9 0.2 3 4袁立男,等:电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响1 3 1 图7 2 0 0 5年1月1日8:0 0月基微波辐射亮温模拟影像F i g.7 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f t h e M o o n-b a s e d m i c r o w a v e r a d i a t i o n b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e i m a g e s a t UT C 0 8:0 0 o n J a n u a r y 1,2 0 0 50.0 3K和0K。三亚、武汉、北京和漠河测