摘要：对于月表矿物来说，其二向性反射特征是鉴定其含量类别和含量反演的重要依据。我们通过实验研究了月壤中的主要矿物：高钛钛铁矿、低钛钛铁矿、辉石、橄榄石的偏振特性。由于真实月壤十分稀缺，因而我们制作了模拟月壤其次我们研究了观测几何条件（多角度）对反射率的影响：设定入射角为30，出射角的变化范围为 0-60，方位角范围为 0-360，测量了模拟月壤在不同观测条件组合下的反射率光谱。通过分析反射率光谱，发现几何观测条件不是影响矿物反射率的敏感因素接着我们分别研究了四种矿物的偏振反射特性：将各个矿物按照出射角的不同分为了三组，分别改变偏振角观察其光谱反射特性。最后我们对各矿物的反射波谱曲线进行了光谱拟合，去除了会干扰实验结果的一些小的反射峰和吸收谷关键词：月表矿物；多角度；偏振反射特性目录1概述1.1研究背景与研究意义.1.2国内外研究现状.2月表矿物.2.1月表典型矿物.2.2模拟月壤制作和分析.3多角度反射特性实验模拟.3.1基于模拟月壤的二向反射特性.3.1.1.出射角对反射光谱的影响.3.1.2.方位角对反射光谱的影响.3.1.3偏振角对反射光谱的影响.3.2偏振反射特性.3.3光谱模拟.4总结.4.1主要工作与结论.4.2存在的问题.参考文献1 概述1.1 研究背景与研究意义从古至今，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1.2 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年美国发射了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】(二)偏振特性研究 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，美国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。美国西北大学的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2空间内多角度偏振反射光普，建立了岩石在2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(三)月球样品模拟 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12mm橄榄石：鲜艳的二级干涉色，裂缝发育，大小为2.51.5mm。气孔：为圆形或近于圆形，占4070%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）、美国模拟月壤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%；