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面向月球环绕探测的光谱成像:研究现状与技术挑战.docx
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面向月球环绕探测的光谱成像:研究现状与技术挑战.docx
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摘要
光谱成像仪可以精准探测月球表面物质成分与温度及其变化特性,成为新时期月球科学探
测任务中重点配置的科学载荷,为进一步认知月球起源与演化历史、资源分布与环境特性
提供科学数据。现有月球环绕探测光谱成像数据为人类认知月球表面物质组成、资源分布
及演化历史等提供了科学参考,但面向月球资源与环境开发与应用的勘查存在空间分辨率
较低且红外谱段偏少的问题。概述了国内外月球探测任务中的典型光谱成像载荷与研究热
点;针对月球光谱的精准探测需求,对所面临的具体技术难题进行了讨论;就如何突破现
有技术挑战,获取更高分辨率、更高灵敏度、更可信的光谱科学数据提出了针对性的具体
解决思路与技术途径;最后,对面向月球环绕探测的光谱成像的发展趋势、挑战与应用进
行了总结与展望。
Abstract
The spectral imager can accurately detect the composition and temperature of the lunar
surface and their variable characteristics, becoming a key scientific payload in the new
era of lunar scientific exploration missions, which provides scientific data for further
cognition of the origin and evolutionary history, resource distribution, and environmental
characteristics of the lunar. The existing spectral imaging data of lunar orbit exploration
provide scientific reference for human cognition of lunar surface material composition,
resource distribution, and evolutionary history, but there are problems of low spatial
resolution and few infrared spectral bands for realizing precise exploration of lunar
resources and environment development and application. The paper firstly outlines the
typical spectral imaging payloads and research hotspots in lunar exploration missions at
home and abroad. Secondly, the specific technical challenges faced are discussed
specifically for the precise detection needs of lunar spectra. Then, specific solutions and
technical approaches are proposed on how to break through the existing technical
challenges and obtain higher resolution, more sensitive, and more reliable spectral
scientific data. Finally, the development trend, challenges, and applications of spectral
imaging for lunar orbit exploration are summarized and prospected.
1 引言
月球作为距离地球最近的天体,其形成与演化研究、空间环境探测,以及矿物资源勘探等
一直是深空探测领域研究的重要目标,月球也被认为是人类地外资源利用的第一选择。光
谱成像仪具有“图谱合一”的特点,可以同时获取目标的几何、光谱和辐射特征,特别适用
于表面矿物成分的无损探测及分析,成为新时期月球科学探测任务中重点配置的科学载荷
[1-2]
。现有月球光谱成像探测主要包括环绕器全月宏观遥感、着陆及巡视器局部特征区域
原位精细探测
[3]
,获取了空间分辨率从百米至毫米,光谱范围从可见光、近红外至长波红
外的科学数据,为人类月球认知水平的不断提升提供了重要支撑。
月球遥感光谱成像探测主要依托于环绕器平台,实现对月球全球高覆盖率的宏观遥感探
测,空间分辨率通常为数十米至千米量级。近年来国内外发射的日本“月亮女神”、中国“嫦
娥一号”、印度“月船一号”、美国月球勘测轨道器和印度“月船二号”等月球环绕探测器均配
置光谱成像科学载荷,不断加深人类对于月球表面形貌、物质组成、资源分布、内部构造
及演化历史等的了解和认识,同时也为地外天体资源勘探与利用、太阳系及宇宙起源与演
化等科学问题的研究提供了宝贵的科学数据
[4-7]
。但是,对于人类面向月球资源开发与应
用的勘查任务,仍存在空间分辨率较低且红外谱段偏少的问题。
光谱成像是精准探测月球表面物质成分及其变化特性,从而进一步认知月球起源与演化历
史、资源分布与环境特性的关键,也是研究如岩浆洋演化历史、月球水含量及赋存状态、
全月球热环境状态及变化等重大科学问题的关键。其中,可见光、近红外谱段主要用于月
球主要矿物(辉石、斜长石、橄榄石等)识别、矿物元素[钙(Ca)、镁(Mg)等]分
析和表面水含量识别研究,而中长波谱段特别适合月球硅酸盐矿物识别、水赋存状态确
定、热环境监测研究与应用。现有的月球光谱成像探测在可见光、近红外谱段的光谱分辨
率基本可满足月面物质成分勘探需求,但空间分辨率偏低;而中长波红外谱段存在空间分
辨率与光谱分辨率偏低、成像谱段数偏少的局限性。一方面,空间分辨率偏低将影响月面
矿物成分的精细勘查,存在复杂区域的局部物质成分特征不明显、无法识别小冷阱等问
题,更不能满足月球科研站选址与航天员活动所需的高精度制图要求;另一方面,中长波
红外谱段的光谱不连续、分辨率不够高,会导致月表资源赋存状态与环境变化特性不明确
的问题。
总体而言,面向月球环绕探测的光谱成像的发展趋势主要为从可见光、近红外谱段向中长
波红外谱段拓展的更宽谱段高光谱成像,以及空间分辨率的进一步提升。但是,宽谱段、
高空间分辨率光谱成像面临一系列技术挑战,例如:月球表面暗弱目标高信噪比成像难、
中长波红外背景抑制难、月表复杂环境引起的数据定量化问题。如何突破现有技术挑战,
获取更高分辨率、更高灵敏度、更可信的光谱成像科学数据是该领域水平提升的关键。本
文首先对国内外现有月球成像光谱探测载荷技术及应用现状开展分析;然后针对月球光谱
精准探测的发展需求,讨论了所面临的技术难题;结合空间探测领域的相关技术,分析了
可能的研究热点与有效技术途径;最后对发展趋势、技术挑战进行了总结与展望。
2 现状与趋势
月球无疑已成为当代深空探测的重点领域,进入 21 世纪,中、美、日、印等国先后进行
了新一轮的月球探测。日本“月亮女神”探测器于 2007 年 9 月 14 日成功发射,配置月球成
像/光谱仪光学仪器包(LISM),对月球开展了综合性、全球性的普查探测
[8]
。中国“嫦娥
一号”任务于 2007 年 10 月 24 日成功发射,配置干涉成像光谱仪(IIM),旨在获取月球
矿物组成及分布
[9]
。印度“月船一号”任务于 2008 年 11 月 8 日成功发射,配置月球矿物测
绘仪(M
3
),旨在绘制月球表面的三维高分辨率地形图和研究月球表面的矿物和化学元素
分布,研究月球、太阳系起源与演化
[10]
。美国宇航局月球勘测轨道器(LRO)于 2009
年 6 月 18 日成功发射,配置月球热辐射计(Diviner),主要用来探测月球表面温度分布
及极区潜在冰沉积
[11]
。印度“月船二号”任务于 2019 年 7 月 22 日成功发射,配置红外成
像光谱仪(IIRS)
[12]
,其探测光谱范围拓宽到 0.8~5 μm,实现了短中波红外月球图谱绘
制能力。美国预计于 2022 年发射的 Artemis 计划,拟配置月球红外成像(LunIR)科学载
荷,将对月球进行飞越红外成像
[13]
。
中、美、日、印的月球环绕光谱成像探测代表了当前国际最新水准,主要光谱类科学仪器
技术指标如表 1 所示,包括已列入近年发射计划的探测任务拟配置科学载荷的性能指标。
美国预计于 2025 年发射的“月球开拓者”(Lunar Trailblazer)计划,拟配置高分辨率挥发
物和矿物月球制图仪(HVM
3
)和月球热成像仪(LTM),专注于月球水赋存形态研究
[14-
15]
。中国预计于 2025 年发射的“嫦娥七号”任务,拟配置宽谱段红外光谱成像分析仪
(WIRIS),其具有宽谱段(0.45~10.0 μm)、高光谱分辨率等特点,致力于月面矿物资
源及热环境勘探
[2]
。根据表 1,月球环绕光谱成像探测载荷具有光谱范围进一步拓宽、光
谱及空间分辨率进一步提高、定量化水平进一步提高的整体发展趋势。表 1 中 SNR 代表
信噪比,ρ 代表目标反照率,NEdR 代表噪声等效微分辐射度,NETD 代表噪声等效温
差,N/A 代表此栏不适用。
表 1. 已发射及在研的月球探测主要成像光谱仪载荷性能对比
Table 1. Performance comparison of current and subsequent major imaging
spectrometer payloads for lunar exploration
Payload
IIM/China/
CE-1
M
3
/India/
Chandrayaan-1
Diviner/USA/
LRO
IIRS/India/
Chandrayaan-2
HVM
3
/USA/
Lunar
Trailblazer
LTM/UK/
Lunar
Trailblazer
WIRIS/China/
CE-7
Time
2007
2008
2009
2019
~2025
~2025
~2025
Spectral
range /μm
0.48-0.96
0.43-3.0
0.35-400
0.8-5.0
0.6-3.6
7.0-10.0,
6-100
0.45-10.0
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