科研人員對玉兔二號光譜的光照作幾何校正

摘要：中國科學院地質與地球物理研究所研究員林楊挺團隊利用玉兔二號在第四月晝測量的光譜，首次推導出覆蓋可見光-近紅外波段（470-945 nm， 5nm間隔）的月表原位光度函數，並利用光度函數將光譜校正到標準觀測角度（即光度校正），獲得了更準確的月壤FeO含量和成熟度。利用推導出的光度函數將光譜校正到標準的幾何角度（入射角30°，出射角0°，相位角3°），並利用校正後的光譜計算了月壤的FeO含量和光學成熟度（OMAT）。

來源：中科院之聲

反射光譜是獲取月球表面成分的最重要手段，但是影響光譜的因素很多。除月表的物質組成、物性和太空風化程度之外，還受探測時的幾何因素影響，包括入射角、發射角和相位角。因此，研究光照幾何因素的影響並進行校正，是準確反演月表物質組成、太空風化程度等的前提。通常是在實驗室利用模擬月壤或阿波羅月球樣品開展不同幾何光照條件對光譜影響的研究。但是，即使是採用真實阿波羅月壤樣品，其表面也已經不是在月表時的原始狀態，因此模擬條件下測量的結果與真實月表可能有很大的差異。阿波羅計劃之後，只有嫦娥三號和嫦娥四號成功軟着陸於月表，並且分別攜帶了月球車（玉兔一、二號），對月壤進行了可見-近紅外成像光譜儀的原位測量。2019年1月3日，嫦娥四號降落在月球背面南極‐艾肯盆地的馮卡門撞擊坑，並開展了巡視探測（圖1a），期待獲得月球的深部物質組成。在嫦娥四號着陸後的第四個月晝，玉兔二號首次開展了不同光照幾何條件下，月表原位光譜測量實驗（圖1b）。

中國科學院地質與地球物理研究所研究員林楊挺團隊利用玉兔二號在第四月晝測量的光譜，首次推導出覆蓋可見光-近紅外波段（470-945 nm， 5nm間隔）的月表原位光度函數，並利用光度函數將光譜校正到標準觀測角度（即光度校正），獲得了更準確的月壤FeO含量和成熟度。

由於着陸區的風化層暴露時間長達36億年，月壤已被均勻地混合，這與玉兔二號拍攝的全景圖一致（圖2），這一均勻表面爲進行月球光度實驗提供了一個絕佳的場所。實驗採用月球車在中心旋轉一定角度，並對周邊月壤進行光譜測量的方式進行。實際測量的區域直徑小於5 m，可以認爲是均一的表面，相位角覆蓋範圍39.6°-97.1°（圖1b）。通過數據分析發現，相函數與相位角之間具有很好的相關性（圖3a），並且隨波長變化（圖3b）；從特定相角到30度相角的校正係數隨波長的增加而減小（圖3c）；對於每個波長的反射率，相位角越大，校正到30度相位角的校正係數越大。

利用推導出的光度函數將光譜校正到標準的幾何角度（入射角30°，出射角0°，相位角3°），並利用校正後的光譜計算了月壤的FeO含量和光學成熟度（OMAT）。未經光度函數校正的反射率光譜，對很小區域內（直徑<5 m）月壤FeO含量和OMAT的反演有顯著的離散，FeO含量由9.0%到10.89%，OMAT值由0.11到0.18。作爲對比，光度函數校正後的光譜，給出的FeO含量和OMAT值都相當一致，標準偏差分別從13.5% （FeO）和35.7% （OMAT）降低到0.7%和7.1%，顯示出反射光譜光度校正的重要性。該研究所獲得的原位光度函數可爲月球探測的可見光-近紅外相機和光譜儀的校準、驗證、比較和成分反演提供重要參考。

研究成果發表於JGR-Planets。