模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定

引用本文

马明, 陈圣波, 路鹏, 肖扬, 杨倩. 模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定. 光谱学与光谱分析, 2018,38(9): 2866-2871
MA Ming, CHEN Sheng-bo, LU Peng, XIAO Yang, YANG Qian. Simulated Lunar Soil Emissivity Spectrum Measurement Experiment and Accuracy Valuation. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(9): 2866-2871. 复制到剪切板

Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)09-2866-06
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光谱学与光谱分析所有

模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定

马明^1,², 陈圣波^1,^*, 路鹏¹, 肖扬^1,², 杨倩²

1. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林长春 130026

2. 吉林建筑大学测绘与勘查工程学院, 吉林长春 130118

*通讯联系人 e-mail: chensb@jlu.edu.cn

作者简介: 马明, 1979年生, 吉林大学地球探测科学与技术学院讲师 e-mail: 121303083@qq.com

收稿日期: 2017-09-05 接受日期: 2017-12-26

基金项目: 国家自然科学基金项目(41372337, 3A415AK44423, 41772346), 科技基础专项项目(2015FY210500)和(863)计划项目(2015AA123704)资助

摘要

基于月球样品反射光谱的月表矿物识别和成分反演能力受到月球环境的严重影响, 仅限于月球表面5%的成熟度较低的区域。相比之下, 包含大量硅酸盐矿物的月球样品发射光谱不仅光谱特征明显, 而且受月表大气、温差和真空等环境的影响较小, 是研究月表成分和物理特性的新途径。因此, 对于嫦娥五号月球探测器采集的月球实地样品的发射光谱测量不仅可用于月表硅酸盐类矿物的成分分析, 而且可以作为遥感研究中可见光-近红外光谱的有效补充。但是, 实验室发射光谱测量中最大的难题是寻找最佳的实验方法和仪器, 以便获得准确可靠的光谱数据。研究以模拟月壤样品为测量对象, 分别在实验室大气、氮气冷背景和模拟真空环境中, 利用TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器, 设计和实施了傅里叶光谱法、独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验, 并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱对实验获得的发射率光谱进行了精度分析与评定。发现在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前, 密闭实验室环境中的反射率法发射率光谱特征最明显, 测量精度最高, 可以作为目前月球样品发射率光谱测量的最佳选择。研究希望能为嫦娥五号采集的月球样品发射率光谱测量实验提供理论基础和技术参数。

关键词: 热红外光谱; 月球模拟样品; 精度评定; 嫦娥五号

中图分类号:S15 文献标识码:A

Simulated Lunar Soil Emissivity Spectrum Measurement Experiment and Accuracy Valuation

MA Ming^1,², CHEN Sheng-bo^1,^*, LU Peng¹, XIAO Yang^1,², YANG Qian²

1. College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China

2. College of Surveying and Exploration Engineering, Jilin Jianzhu Univerdity, Changchun 130118, China

Abstract

The minerals ide.pngication and component retrieval obtained from reflectance spectrum of lunar samples were greatly affected by the environment of lunar surface, and had been applied to approximately 5% of the lunar surface where lunar soil was immature. In contrast, the emission spectrum of lunar samples which is mainly composed of silicate minerals not only had obvious spectral characteristics, but also had little influence by the lunar’s atmosphere, temperature difference and vacuum. Thus a new approach to study the component and physical properties of lunar surface was offered. In the future, the emission spectrum of lunar samples collected by Chang’e 5 detector can be used to extract the compositional analysis of silicate minerals which are the main components of lunar crust. And it is important supplement to visible-near infrared spectrum in remote sensing study. However, the greatest challenge in the laboratory emissivity measurement is finding out the best measuring methods and instruments in order to obtain accurate and reliable spectrum data. In this study, using TurboFT 102F and Bruker VERTEX 70V, based on fourier infrared spectroscopy method, independent blackbody method and reflectivity method, the emission spectrums of simulated lunar soil were measured under natural laboratory, the nitrogen cold background and vacuum environment. The numerical accuracy of emissivity spectrums was analyzed and evaluated using the error propagation law or the thermal infrared emissivity spectra of Apollo samples. The study found that the reflectivity emission spectral characteristics were the most obvious and reflectivity emissivity spectral values in which measurement accuracy was the highest in the three emission spectrum measurement methods. Thus reflectivity method under sealed laboratory environment is the best choice for lunar sample emission spectrum measurement now before the simulate lunar vacuum environment is built. We hope that research and analysis results of the paper can provide a theoretical basis and technical reference for emissivity spectrum measurement of Chang’e 5 sample.

Key words: Thermal infrared spectra; Lunar simulated sample; Accuracy evaluation; Chang’e 5

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引言

嫦娥五号月球探测器采集回来的月球样品是继美国Apollo任务和前苏联Luna任务后时隔40多年来人类又一次带回月表实地样品。对于月球样品(整块岩石和主要矿物的分离样品)成分的实验室详细分析数据可以提供样品中各种矿物、玻璃物质和胶合物的含量, 以及不同粒度级样品的空间风化等级等信息, 有助于登陆地区详细物质组成信息了解^[1]和月球地质单元结构研究^[2]与年龄确定^[3]。同时, 对于月球样品(Apollo、 luna、陨石和Chang’ e)的光谱测量数据可应用于可见光近红外、红外和微波传感器的遥感定标^[4]和月表成分遥感反演^[5]等研究中。

值得注意的是, 由于月表环境的特殊性, 空间风化导致月表岩石表面多被原子铁覆盖, 与地球环境中获得的反射率光谱相比, 月表占较大比例的硅酸盐矿物的反射光谱存在反射率值降低、光谱对比度减弱和光谱特征不明显等问题^[6]。此外, 月表含量最高的斜长石类矿物中并不存在反射光谱中极其重要的二价铁电子跃迁光谱特征^[7]。因此, 反射光谱对于月表矿物识别和成分反演能力仅限于月球表面5%的成熟度较低的区域^[7]。与此同时, 月球微波遥感更加侧重于月球次表层月壤特性、成分和结构的研究, 忽略了真空环境中月球表层物质的热物理属性, 空间风化等级和成分复杂性的研究。相比之下, 硅酸盐矿物的热红外波段发射率光谱却存在着明显的CF(christiansen feature)和RB(reststrahlen bands)光谱特征。这些红外光谱特征不仅敏感于矿物成分、热物理特性、表面粗糙度和地形等因素, 而且受昼夜温差、空间风化和真空环境等因素影响较小, 可以作为月表成分和热物理特性等研究的重要依据^[5]。因此, 对于月球样品的红外光谱测量就显得异常重要。

Salisbury等^[8]在地球环境中测量了Apollo样品的红外波段半球反射率, 并利用基尔霍夫定律计算获得了样品的绝对发射率。之后, 逐渐将Apollo样品的红外波段反射率光谱保存于LSCC(lunar soil characterization consortium)中的RELAB(reflectance experiment laboratory)光谱库中。同时, Donaldson等^[6]在模拟月球环境中进行了发射率光谱测量实验, 比较了模拟真空和地球环境中发射率光谱的差异。相对于国外, 国内对于月球样品发射率光谱测量工作几乎是空白, 只是在模拟月壤研制和特性分析等方面做了一定的研究。尽管这些学者获得了月球真实或者模拟样品的红外光谱, 但对于获得光谱数据的精度却鲜有评定, 进而就难以确定获得光谱绝对数值的可靠性, 导致后续的遥感反演和应用中存在不可忽视的误差。本文在现有发射率测量方法和实验仪器的基础上, 尝试在不同测量环境中利用多种发射率测量方法和仪器进行了模拟月球样品发射率测量实验, 分析比较不同环境、方法和仪器测量结果的优劣性, 确定月球样品发射率光谱测量的最佳实验方法和仪器, 并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱数据对测量光谱数值进行了精度分析和评定, 希望能够为嫦娥五号月球样品发射率光谱测量提供借鉴和依据。

1 实验部分

模拟月球样品采样于吉林省伊通和辉南、黑龙江五大连池和镜泊湖、内蒙古阿尔山火山、河北张家口汉诺坝和西藏日喀则等我国火山岩广泛分布地区。根据Apollo样品(10084)的物理和化学特征, 实验室中将采集的野外样品经过筛选、除杂质和通风干燥后, 制备成模拟月球样品。经过测试发现, 模拟月球样品的相对密度、密度、粒度分布特征、抗剪性和颗粒形态等物理参数值都在Apollo样品测定参数变化范围内, 且与Apollo样品的化学成分相关性也较高。因此, 可以将模拟月球样品视为模拟月壤物质, 用于发射率光谱测量实验。

发射率光谱实验的光谱范围选择在2~14 μ m之间, 考虑到短红外波段范围内的混合能量(热辐射和样品反射能量), 大气窗口中水汽和二氧化碳, 以及测量环境中的背景辐射等因素的影响, 实验选取傅里叶光谱法, 独立黑体法和反射率法三种方法作为发射率测量方法, 测量仪器类型为傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR), 分别为TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V。

此外, 分别在实验室大气、模拟真空和氮气冷背景三种测量环境中进行了发射率光谱测量实验。其中, 模拟真空环境是利用VERTEX 70V及其附件A540搭建的实验环境实现的。而较为复杂的氮气冷背景中的光谱测量实验方案如图1所示, 主要包括102F光谱仪及其配件、具有冷背景的真空罐、氮气注入设备、温控设备和样品加热设备等。实验过程中保证氮气持续不断的注入, 将预热好的102F放置在真空罐中, 保持真空罐背景温度恒定为-20 ℃, 氮气注入30 min后, 迅速进行冷热黑体、大气下行辐射和金板测量, 最后通过测量加热到40~60 ℃的模拟样品获得发射率光谱。

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	图1 氮气冷背景中傅里叶光谱法发射率测量方案Fig.1 Emissivity measurement scheme based on Fourier infrared spectroscopy method in the nitrogen cold background

2 结果与讨论

2.1 模拟月球样品热红外光谱特征

月球表面硅酸盐样品的热红外光谱包含着岩石和矿物组成的指示性信息, 主要特征包括: (1)CF特征^[9]: 8 μ m附近发射率最大, 反射率最小的光谱特征; (2)RB特征^[10]: 分别位于8.5~12.0和16.5~25μ m两个波段间的多个发射峰谷的光谱特征; (3)TF(transparency feature)特征^[11]: 位于两个RB特征振动波段之间的透射特征光谱区的发射率极小值的光谱特征。但是, 真空环境中的TF特征会出现消失的现象^[6], 因此, 本文不讨论发射率测量光谱中的TF特征。

2.2 数据处理

傅里叶光谱法(实验室和氮气冷背景)和独立黑体法(模拟真空)实验发射率光谱数值利用式(1)计算获得, 两种测量方法的不同温度样品发射率光谱如图2和图3。

$ε_{samp} (λ) = \frac{ε_{inst} (λ) B_{inst} (λ, T) + \frac{V_{meas} (λ, T)}{F}}{B_{samp} (λ, T_{samp})}$ (1)

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	图2 傅里叶光谱法发射率测量光谱曲线Fig.2 Emissivity measurement spectral curves based on Fourier infrared spectroscopy method

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	图3 独立黑体法发射率测量光谱曲线Fig.3 Emissivity measurement spectral curves based on independent blackbody method

式中, ε _samp是样品的发射率; B为普朗克定律计算的辐射亮度, $B (λ, T) = \frac{c_{1} λ^{- 5}}{e^{C_{2} / (λT)} - 1}$ ; T为黑体温度, T_samp 为样品温度; ε _inst B_inst 是分光仪辐射亮度; V_meas (λ , T)为辐射电压值; F为仪器响应函数, 由特定温度下冷热黑体测量的辐射电压值和普朗克辐射亮度值计算获得反射率法实验遵循地物反射率标准方法进行, 反射率光谱数值利用式(2)计算获得,

$R = \frac{L}{L_{0}} R_{0}$ (2)

式中, R为样品反射率, R₀为仪器标准板反射率, 由仪器厂家提供, 为已知参数; L和L₀分别为相同观测条件下仪器探测得到的样品辐射亮度和标准板辐射亮度。最后利用基尔霍夫定律(ε =1-R)计算获得样品的发射率光谱, 如图4。

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	图4 反射率法发射率测量光谱曲线Fig.4 Emissivity measurement spectral curves based on reflectivity method

2.3 实验结果分析

模拟月球样品发射率光谱测量实验最初选择在实验室大气环境中利用傅里叶光谱法进行的。结果表明, 在3.5~14 μ m波段范围内发射率光谱特征明显, 尤其是CF特征, 光谱值稳定性较好, 其中, 5.0~5.5 μ m波段范围内噪音明显。但是, 在2~3.5 μ m波段范围内发射率的光谱值存在明显的异常, 表现为强烈的“ 锯齿” 现象, 即光谱值中存在大量的大于1或者小于0的数值, 且呈现交替出现的现象。正如实验方案设计中所考虑的, 影响发射率光谱测量结果的主要因素包括背景辐射、样品反射能量、大气环境、样品温度、仪器灵敏度和测量方法等几个方面。因此, 需要在多种测量环境中利用多种仪器和方法进行发射率光谱测量实验, 进而确定光谱中异常现象的主要影响因素。

比较氮气冷背景和实验室大气环境中测量的发射率光谱数据发现, 两者并没有明显的差异。尽管, 氮气冷背景实验过程中刻意加大了背景温度(-20 ℃)与样品温度(45 ℃)的差异, 并最大限度的清除了实验环境中的水和二氧化碳等空气杂质, 依然没有消除发射率光谱中的“ 锯齿” 现象。因此, 可以认为背景辐射和样品反射能量, 以及大气中的水和二氧化碳等因素不是短波发射率光谱异常的决定性原因。

提取102F光谱仪测量的冷黑体、热黑体、大气下行辐射和样品的辐射电压值(如图5)发现, 2~14 μ m波段内最大测量值不超过0.045 V。其中, 5~6 μ m波段内最大值不超过0.05 V, 2~2.8 μ m波段内最大值不超过0.000 4 V。值得注意的是, 102F仪器响应函数是通过冷热黑体辐射电压测量值和冷热黑体温度的普朗克辐射亮度值相除计算获得[式(3)]。如果仪器的响应度达不到光谱测量精度要求, 其也许是发射率测量光谱中异常现象的主要因素。

$F (λ) = \frac{V_{BB} (λ, T_{1}) - V_{BB} (λ, T_{2})}{B_{BB} (λ, T_{1}) - B_{BB} (λ, T_{2})}$ (3)

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	图5 102F光谱仪辐射电压测量值Fig.5 Radiation voltage measurement values using 102F

独立黑体法与傅里叶光谱法的计算原理相同, 但是, VERTEX 70V的仪器光谱分辨率(0.1 cm^-1)明显高于102F的仪器光谱分辨率(1 cm^-1)。分析独立黑体法测量的发射率光谱(图3)发现, 低温样品的发射率光谱依然存在明显的“ 锯齿” 现象, 而200 ℃以上样品的发射率光谱几乎不存在异常现象, 是一条相对光滑的曲线。换句话说, 高温样品对应着较高的辐射电压测量值, 提高了仪器响应度精度, 最终也提高了发射率光谱的平滑程度。由此可以认为, 对于不同温度的同一样品(发射率相同), 测量环境的不同不会导致短波发射率光谱出现剧烈的“ 锯齿” 现象; 傅里叶光谱法和独立黑体法获得的发射率光谱中短波处明显的“ 锯齿” 现象是由低辐射电压测量值导致的低仪器响应度引起的。

值得注意的是, 由于独立黑体法测量结果受到黑体、温控精度和真空环境模拟等方面的影响, 不同温度样品发射率光谱的CF和RB特征出现了不明显的现象, 而且部分温度(120和180 ℃)的样品发射率光谱值出现了明显的偏差。因此, 研究认为, 独立黑体法发射率光谱绝对值不可信, 后续的研究也不会讨论此方法发射率光谱数据的精度。

反射率法与独立黑体法的发射率测量仪器相同, 只是实验室密闭大气环境中消除空气中的水和二氧化碳影响, 通过积分球反射计测量常温样品反射率光谱, 最终计算获得发射率光谱。由于是通过比值计算获得反射率光谱值, 且不需要通过除法计算仪器响应度, 因此, 仪器响应度的影响几乎可以忽略不计。分析反射率法发射率光谱(图4)发现, 几乎不存在“ 锯齿” 现象, 在2.5~14 μ m波段范围内呈现光谱曲线平滑和光谱特征明显的规律。与月球环境相比, 尽管大气环境中测量的发射率光谱存在CF特征峰形变缓、特征位置轻微向短波方向移动^[12]和基尔霍夫定律计算过程中的产生误差等几方面问题, 但是, 反射率法发射率测量方珐获得光谱曲线的规律性和特征分布是众多发射率测量方法中最好的, 也是目前月表成分反演和特性研究的主要光谱依据^[5]。换言之, 在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前, 可以认为大气密闭环境中反射率法是目前最合理、经济和实用的月球样品发射率测量方法。

3 精度评定

尽管与傅里叶光谱法获得的发射率光谱相比, 大气环境中反射率法获得发射率光谱曲线不存在异常, 且光谱特征明显。但是, 傅里叶光谱法获得长波段(7~14 μ m)发射率光谱依然是很多学者^[13]红外遥感应用的首选数据, 因此, 有必要对傅里叶光谱法和反射率法获得的光谱数值精度进行分析和评定。

3.1 傅里叶光谱法精度分析与评定

根据一般函数的误差传播定律, 傅里叶法测量的发射率中误差可以利用式(4)计算获得

$m_{ε} = \pm \sqrt[]{{(\frac{\partial f}{\partial x_{1}})}^{2} m_{1}^{2} + {(\frac{\partial f}{\partial x_{2}})}^{2} m_{2}^{2} + \dots + {(\frac{\partial f}{\partial x_{n}})}^{2} m_{n}^{2}}$ (4)

式中, m_ε为发射率测量中误差, m₁, …, m_n分别为n个x₁, …, x_n测量值的中误差。

FTIR测量的辐射电压计算公式为

$\begin{array}{l} V_{meas} (λ, T) = [ε_{samp} (λ) B_{samp} (λ, T) + \\ R_{samp} (λ) ε_{env} (λ) B_{env} (λ, T) - ε_{inst} (λ) B_{inst} (λ, T)] F \end{array}$ (5)

式(5)中, V_meas(λ , T)为仪器测量辐射电压值, ε _sampB_samp是样品的辐射亮度, R_sampε _envB_env是环境反射样品的辐射亮度, ε _instB_inst是分光仪辐射亮度, F为仪器响应函数。由于光谱仪装置内部温度控制在100~150 K, 可以认为测量过程中的仪器内部能量交换忽略不计, 即R_samp(λ )ε _env(λ )B_env(λ , T₁)=0。因此, 发射率测量值中误差可以基于辐射电压、分光仪辐射亮度和仪器响应函数三个测量值的中误差计算获得。

利用两个不同温度的理想黑体(ε =1)辐射电压测量值计算仪器响应函数F[式(3)]结合误差传播定律计算获得F(λ )的测量中误差为[对式(3)求偏导]

$\begin{array}{l} Δ F (λ) = \frac{1}{B_{BB} (λ, T_{1}) - B_{BB} (λ, T_{2})} \times \\ \sqrt[]{(Δ V_{BB} (λ, T_{1} {))}^{2} + (Δ V_{BB} (λ, T_{2} {))}^{2}} \end{array}$ (6)

同理, 仪器辐射亮度测量中误差为[对变换的式(5)求偏导]

$\begin{array}{l} Δ (ε_{inst} (λ) B_{inst} (λ, T)) = (\frac{V_{BB} (λ, T_{2})}{F}) \times \\ \sqrt[]{{(\frac{Δ V_{BB} (λ, T_{2})}{V_{BB} (λ, T_{2})})}^{2} + {(\frac{Δ F}{F})}^{2}} \end{array}$ (7)

样品辐射亮度测量中误差为[对变换的式(5)求偏导]

$\begin{array}{l} Δ (ε_{samp} (λ) B_{samp} (λ, T_{samp})) = \\ \sqrt[]{(Δ (ε_{inst} (λ) B_{inst} {(λ, T)))}^{2} + {(\frac{Δ (V_{meas} (λ, T)}{F})}^{2}} \end{array}$ (8)

最终, 以仪器响应函数、仪器辐射和样品辐射三个测量中误差[式(6)、式(7)和式(8)]为基础, 模拟样品发射率测量中误差为[对式(1)求偏导]

$\begin{array}{l} Δ ε_{samp} (λ) = \frac{1}{B_{samp} (λ, T_{samp})} \times \\ {{(\frac{V_{BB} (λ, T_{2})}{F} \sqrt[]{{(\frac{Δ V_{BB} (λ, T_{2})}{V_{BB} (λ, T_{2})})}^{2} + {(\frac{Δ F}{F})}^{2}})}^{2} + \\ {((\frac{V_{meas} (λ, T)}{F}) \sqrt[]{{(\frac{Δ (V_{meas} (λ, T)}{V_{meas} (λ, T)})}^{2} + {(\frac{Δ F}{F})}^{2}})}^{2}}^{\frac{1}{2}} \end{array}$ (9)

利用102F测量的原始辐射电压值, 结合普朗克定律计算的多个温度的辐射亮度值, 并假设辐射电压测量中误差为1%, 进而计算获得2~14 μ m波段范围内傅里叶法测量的发射率平均中误差为2.4%, 基本能够满足一般发射率光谱测量试验精度(3%~5%)要求。

值得注意的是, 利用FTIR进行傅里叶法发射率测量和计算过程中存在一个关键性的问题, 即样品温度的确定问题。目前, 主要是以环境温度、样品表面的热电偶测量温度或者仪器拟合温度作为测量样品的温度, 进而通过准确测量的样品辐射亮度与样品温度的普朗克辐射亮度之比获得发射率光谱, 如图6。

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	图6 102F光谱仪辐射亮度测量值Fig.6 Radiance measurement values using 102F

值得警惕的是, 利用这种方法计算获得的发射率光谱中存在极大的不确定性。主要原因包括两方面, 一方面, 月球真空环境及月表物质的低热导性共同导致了月表的温度梯度现象^[13], 而实验过程中需要考虑温度梯度导致的样品测量温度变化的影响; 另一方面, 普通热电偶的温度测量最高精度只有± 0.5 ℃, 温度测量结果中存在明显的误差, 同时, 仪器拟合温度也没有一个非常严格的标准, 而探测器获得样品辐射亮度则是通过准确测量整体样品获得的。因此, 测量或者拟合获得温度的普朗克辐射亮度中就存在明显的误差, 进而导致了最终的发射率光谱绝对数值存在一定的偏差。例如, 图7中, 假设样品温度为42.2 ℃, 温度级相差0.5 ℃的同一样品发射率绝对数值存在明显差异, 发射率绝对数值平均相对误差为4.03%, 大于测量的发射率中误差2.4%。换言之, 样品温度测量或者拟合值相差0.5 ℃引起的发射率测量相对误差为4.03%。因此, 研究认为FTIR傅里叶法测量获得发射率光谱的绝对数值中存在一定的不确定性, 在遥感研究应该慎重, 这也是研究者^[5]只将月球样品发射率光谱的相对数值(光谱特征对应的波长位置)应用于月表遥感解译和成分反演的主要原因。

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	图7 不同拟合温度发射率光谱曲线Fig.7 Different fitting temperature emissivity spectral curves

3.2 反射率法精度分析与评定

由于测量原理的不同, 与傅里叶光谱法相比, 反射率法发射率光谱值测量过程中减弱了仪器响应度的影响, 即光谱值中的测量中误差只与仪器探测的样品辐射亮度和标准板辐射亮度有关, 对式(2)求偏导可得反射率法光谱测量中误差[式(14)]

$Δ R = \frac{R_{0}}{L_{0}} \sqrt[]{\frac{L_{0}}{R_{0}} {(Δ L)}^{2} - \frac{L}{R_{0}} (Δ L_{0})^{2}}$ (14)

式(14)中, Δ L和Δ L₀相等, 为VERTEX 70V辐射亮度测量中误差, 假设为1%, 结合测量的样品和标准板辐射亮度, 计算获得2.5~14 μ m波段范围内反射率法光谱测量平均中误差为1.6%, 高于102F的光谱测量平均中误差。

当然, 在利用基尔霍夫定律计算发射值的过程中忽略了样品的透射值, 这样做的原因主要有两方面: 一方面, 月球模拟或者真实样品都是岩矿类物质, 不包含水和植被等杂质, 透射特性较差; 另一方面, VERTEX 70V测量环境是利用密闭环境中的半球积分装置实现的, 此环境加大了样品的反射特性, 最大限度的消除了外界的影响, 包括透射特性。

值的注意的是, 反射率法发射率光谱中依然存在轻微“ 锯齿” 现象, 当然可以通过光谱降噪和平滑方法进行消除。采用8阶傅里叶变换对实测数据进行拟合, 获得了光滑的发射率光谱曲线, 如图8。将模拟月壤样品发射率光谱与RELAB波谱库中相同测量方法获得的Apollo 10084和12001样品发射率光谱比较发现, 两者的发射率光谱值接近, 光谱形状相似。提取I型模拟月壤样品与10 084样品相同观测波长位置的152个发射率光谱值计算获得两者的均方差为0.020 7, 同理, Ⅱ 型模拟月壤样品与12001样品发射率光谱值均方差为0.022 7。

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	图8 模拟月球样品与Apollo样品发射率光谱对比曲线Fig.8 Emissivity spectral contrast curves between simulated lunar samples and apollo samples

4 结论

分别在实验室大气、模拟真空和氮气冷背景环境中, 以TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器为基础, 对模拟月壤样品进行了傅里叶光谱法, 独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验, 并对三种测量方法获得的发射率光谱进行了分析与评价, 评定了傅里叶光谱法和反射率法的测量精度, 确定了大气环境中反射率法是嫦娥五号月球样品发射率光谱最合理的测量方法, 主要有以下两点结论:

(1)通过实验发现, 傅里叶光谱法和独立黑体法发射率光谱中的“ 锯齿” 现象并不能归结于实验环境中的样品反射、背景辐射、大气中的水汽和二氧化碳等因素, 而是由于样品在2~3和5~6 μ m波段范围内的低辐射亮度引起了仪器响应度偏差, 需要通过提高仪器响应度或者改变测量方法来消除测量光谱中异常现象。

(2)在现有的发射率测量方法中, 密闭环境中的反射率法发射率平滑程度最高, 光谱特征最明显, 光谱绝对值精度最高, 可以直接应用于遥感解译和成分反演等研究中。在解决异常复杂和困难的模拟月球环境搭建以及搭建材料内外的能量传递问题之前, 应该以密闭实验室环境中的反射率法作为月球样品发射率光谱测量的最佳选择。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

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[9]	Conel J E. Journal of Geophysical Research, 1969, 74(6): 1614. [本文引用:1]
[10]	Lyon R J P. Economic Geology, 1965, 60(4): 715. [本文引用:1]
[11]	Salisbury J W, Walter L S. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1989, 94(B7): 9192. [本文引用:1]
[12]	Thomas I R, Greenhagen B T, Bowles N E, et al. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(12): 124502. [本文引用:1]
[13]	Newcombe M E, Brett A, Beckett J R, et al. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2017, 200: 330. [本文引用:2]

1985

0.0

... 对于月球样品(整块岩石和主要矿物的分离样品)成分的实验室详细分析数据可以提供样品中各种矿物、玻璃物质和胶合物的含量, 以及不同粒度级样品的空间风化等级等信息, 有助于登陆地区详细物质组成信息了解^[1]和月球地质单元结构研究^[2]与年龄确定^[3] ...

1972

0.0

1976

0.0

2010

0.0

... e)的光谱测量数据可应用于可见光近红外、红外和微波传感器的遥感定标^[4]和月表成分遥感反演^[5]等研究中 ...

2016

0.0

Ming

, CHEN

Sheng-bo

, ZHOU

Chao

, et al(马明, 陈圣波, 周超, 等). Acta Petrologica Sinica(岩石学报), 2016, 32(1): 144.

The major element abundances of the Moon provide the important clues for characterizing the lunar composition and exploring the mineral resources. Inverse models were established based on the linear regression between the chemical composition of luna samples and Christiansen Feature (CF) values in terms of different grain size. The validation of the inverse models indicated that the model with the samples of 10~20μm is the most reliable one for element abundances estimation. The CF value map of the wider coverage and higher spatial resolution at the Apollo 15 landing site was generated on the basis of Diviner data. Moreover, Al, Fe, Mn, Mg and Ca abundances were estimated with inverse models. The results demonstrate the feasibility of element abundances estimation with Diviner data and provide a new idea for quantitative analysis of the lunar surface chemical composition.

月球元素含量的反演是了解月球物质成分的分布和月球矿产资源开发利用的依据。通过比较月球样品元素含量与不同粒径样品光谱CF值所建立模型的反演精度,确定10~20μm粒径样品最适用于月表元素含量反演。以Apollo 15登陆点附近为例,利用Diviner热红外数据得到了完整覆盖度和更高分辨率月球 CF值影像,反演了月表Al、Fe、Mn、Mg和Ca元素相对含量。与月球样品实测值进行了对比,均方根误差均小于3,验证了利用红外数据反演月表元素相对含量的可行性,为月表元素含量反演提供了新的思路。

... e)的光谱测量数据可应用于可见光近红外、红外和微波传感器的遥感定标^[4]和月表成分遥感反演^[5]等研究中 ...

... 这些红外光谱特征不仅敏感于矿物成分、热物理特性、表面粗糙度和地形等因素, 而且受昼夜温差、空间风化和真空环境等因素影响较小, 可以作为月表成分和热物理特性等研究的重要依据^[5] ...

... 与月球环境相比, 尽管大气环境中测量的发射率光谱存在CF特征峰形变缓、特征位置轻微向短波方向移动^[12]和基尔霍夫定律计算过程中的产生误差等几方面问题, 但是, 反射率法发射率测量方珐获得光谱曲线的规律性和特征分布是众多发射率测量方法中最好的, 也是目前月表成分反演和特性研究的主要光谱依据^[5] ...

... 因此, 研究认为FTIR傅里叶法测量获得发射率光谱的绝对数值中存在一定的不确定性, 在遥感研究应该慎重, 这也是研究者^[5]只将月球样品发射率光谱的相对数值(光谱特征对应的波长位置)应用于月表遥感解译和成分反演的主要原因 ...

2012

0.0

... 值得注意的是, 由于月表环境的特殊性, 空间风化导致月表岩石表面多被原子铁覆盖, 与地球环境中获得的反射率光谱相比, 月表占较大比例的硅酸盐矿物的反射光谱存在反射率值降低、光谱对比度减弱和光谱特征不明显等问题^[6] ...

... 同时, Donaldson等^[6]在模拟月球环境中进行了发射率光谱测量实验, 比较了模拟真空和地球环境中发射率光谱的差异 ...

... 但是, 真空环境中的TF特征会出现消失的现象^[6], 因此, 本文不讨论发射率测量光谱中的TF特征 ...

2006

0.0

... 此外, 月表含量最高的斜长石类矿物中并不存在反射光谱中极其重要的二价铁电子跃迁光谱特征^[7] ...

... 因此, 反射光谱对于月表矿物识别和成分反演能力仅限于月球表面5%的成熟度较低的区域^[7] ...

1997

0.0

... Salisbury等^[8]在地球环境中测量了Apollo样品的红外波段半球反射率, 并利用基尔霍夫定律计算获得了样品的绝对发射率 ...

1969

0.0

... 1 模拟月球样品热红外光谱特征月球表面硅酸盐样品的热红外光谱包含着岩石和矿物组成的指示性信息, 主要特征包括: (1)CF特征^[9]: 8 μ ...

1965

0.0

... (2)RB特征^[10]: 分别位于8 ...

1989

0.0

... (3)TF(transparency feature)特征^[11]: 位于两个RB特征振动波段之间的透射特征光谱区的发射率极小值的光谱特征 ...

2012

0.0

2017

0.0

... m)发射率光谱依然是很多学者^[13]红外遥感应用的首选数据, 因此, 有必要对傅里叶光谱法和反射率法获得的光谱数值精度进行分析和评定 ...

... 主要原因包括两方面, 一方面, 月球真空环境及月表物质的低热导性共同导致了月表的温度梯度现象^[13], 而实验过程中需要考虑温度梯度导致的样品测量温度变化的影响 ...