CN112834038A - 一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，包括：模拟月壤(1)；加热器(2)，位于模拟月壤(1)下表面，用于将模拟月壤(1)加热到指定温度；模拟光源(3)，用于模拟太阳辐射能量，并照射在模拟月壤(1)上；光谱探测设备(4)，用于探测模拟月壤(1)辐射能量，包括月表接收的太阳辐射能量和月表自身发射辐射的能量。本发明构建了地面模拟实验系统，模拟光谱仪月面工作时的获取的来自月面矿物的混合光谱。
Description
技术领域
本发明涉及月面光谱分析技术领域，具体涉及一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置。
背景技术
开展月面目标中波红外光谱段特性的研究具有重要的科学意义和应用价值，也是即将发射的嫦娥五号短中波红外光谱仪在轨数据应用亟待解决的问题之一。
由于月面目标处于宽温度范围内，其中波红外谱段辐射光谱是既包含反射太阳辐射，又包含自身发射辐射的混合光谱，混合光谱模型中未知参数个数大于测量值个数，面临无法直接求解的病态问题。需要通过算法模型寻求最优解，包括根据月面实际情况建立混合光谱模型，算法优化和通过地面模拟实验进行算法验证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，用于至少部分解决传统方法无法获取月面混合光谱等技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，包括：模拟月壤1；加热器2，位于模拟月壤1下表面，用于将模拟月壤1加热到指定温度；模拟光源3，用于模拟太阳辐射能量，并照射在模拟月壤1上；光谱探测设备4，用于探测模拟月壤1辐射能量，包括月表接收的太阳辐射能量和月表自身发射辐射的能量；其中，月表接收的太阳辐射能量为：
其中，LREF(λ，T)为月表接收的太阳辐射能量，θ为太阳的高度角，MSUN(λ)为太阳辐射能量，ρ(λ)为月表矿物的反射率。
进一步地，模拟光源3包括卤钨灯、模拟太阳器。
进一步地，模拟光源3与模拟月壤1表面形成高度角的角度范围为30～60°，光谱探测设备4与模拟月壤1表面形成的高度角的角度范围为30～60°。
进一步地，模拟光源3与模拟月壤1表面形成的高度角和光谱探测设备4与模拟月壤1表面形成的高度角的角度相同。
进一步地，模拟月壤1组成包括单矿物月壤和混合矿物月壤，单矿物月壤包括钛铁矿、橄榄石、石灰石，混合矿物包括至少两种所述单矿物月壤的混合物。
进一步地，加热器2加热到指定温度的温度范围为350K～380K。
进一步地，加热器包括电子数控加热器。
进一步地，光谱探测设备包括短中波红外光谱仪。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，构建了地面模拟实验系统，模拟矿物光谱仪月面工作时的获取的来自月面矿物的混合光谱。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例用于模拟探测月壤辐射能量的装置示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例短中波红外光谱仪的月面工作情况示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例太阳辐射能量光谱图；
图4示意性示出了根据本发明实施例月面混合光谱模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例提供了一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，请参见图1，包括：模拟月壤1；加热器2，位于模拟月壤1下表面，用于将模拟月壤1加热到指定温度；模拟光源3，用于模拟太阳辐射能量，并照射在模拟月壤1上；光谱探测设备4，用于探测模拟月壤1辐射能量，包括月表接收的太阳辐射能量和月表自身发射辐射的能量；
其中，月表接收的太阳辐射能量为：
其中，LREF(λ，T)为月表接收的太阳辐射能量，θ为太阳的高度角，MSUN(λ)为太阳辐射能量，ρ(λ)为月表矿物的反射率。
首先，根据短中波红外光谱仪的月面工作时的情况，建立混合光谱模型，其中包括实际的月面的温度，被探测月壤的成分，太阳高度角度等。短中波红外光谱仪的月面工作情况请参见图2所示，仪器接收来自月面矿物的辐射光谱，其中包括对太阳的反射辐射和自身因具有一定温度而带来的发射辐射。基于图2，我们设计的系统简图如图1所示，其中1是模拟月壤，包括样品盘和样品，是被探测目标；2是加热器，对模拟月壤进行加热和温度控制，可以将模拟月壤加热到指定的温度，并维持在该温度上；3是模拟光源，模拟太阳的辐射能量，照射在模拟月壤上；4是光谱的探测设备，可以是短中波红外光谱仪器或者其他的光谱仪。
光源的辐射到月表后，经过月表反射后达到仪器，因此，这部分反射光主要与角度有关，cos(θ)/π表示半球的能量密度。
在上述实施例的基础上，模拟光源3包括卤钨灯、模拟太阳器。
本发明中，通常采用卤素灯模拟太阳光源。卤素灯是一种常用的光学电源，通过控制电压来实现输出光源的能量控制，为了能够让卤素灯输出跟月面收到的太阳辐射能量相当的辐射能量，根据以下公式以及月球表面温度和太阳高度角来计算短中波红外光谱仪在月面工作时，月表接收到的太阳辐射能量。然后设定一定的电压，令卤素灯的输出能量与之相当。例如，当太阳高度角是60度时，太阳在红外光谱段的辐射能量光谱如图3所示，那么：
在上述实施例的基础上，模拟光源3与模拟月壤1表面形成高度角的角度范围为30～60°，光谱探测设备4与模拟月壤1表面形成的高度角的角度范围为30～60°。
实际情况下高度角是指太阳和月亮之间夹角的角度，这里使模拟光源3与模拟月壤1表面形成类似于实际情况中的太阳与月亮的方位，在该高度角范围内，有利于逼近实际的月表反射能量。
在上述实施例的基础上，模拟光源3与模拟月壤1表面形成的高度角和光谱探测设备4与模拟月壤1表面形成的高度角的角度相同。
模拟光源3和光谱探测设备4分别与模拟月壤1之间的高度角相同，使得测量结果更加准确，更逼近实际月面的辐射情况。
在上述实施例的基础上，模拟月壤1组成包括单矿物月壤和混合矿物月壤、混合月壤的比例范围为每种单矿物的等比例范围。
我们采用模拟月壤来模拟月面的矿物情况，模拟月壤的由某一种矿物物质组成，其组成内容和比例与月面实际情况相同。模拟月壤为粉末状物质，放在方形金属盘内，并将表面用直尺刮平，以确保其表面与月面的矿物表面形态尽量接近。
在上述实施例的基础上，加热器2加热到指定温度的温度范围为350K～380K。
加热台用于对模拟月壤加热，以确保月壤能够达到与月面实际工作时相当的温度。假设短中波红外光谱仪在月球表面工作时，月球表面的温度处于360K～372K。加热台可以把模拟月壤到这个温度范围内，并且可以在设定的温度点上维持模拟月壤的温度。
在上述实施例的基础上，加热器包括电子数控加热器。
我们使用电加热器，分为数字显示加热器和数字控制加热器，其中数字显示加热器可以设置不同的加热档位，并实时显示当前的温度，数字控制加热器，可以设置加热温度，在升温过程中，实时显示当前温度，并在加热器达到设置的温度后，稳定在设置的温度。本方案选择第二种数字控制加热器。
在上述实施例的基础上，光谱探测设备包括短中波红外光谱仪。
短中波红外光谱仪常用于物质的光谱获取，包括反射光谱，投射光谱和折射光谱等。物质的光谱被获取后，可以用于物质成分检测和分析。具有检测不接触，快速和准确等特点。其他光谱探测设备有应用场景不同，应用方式不同，例如有的光谱仪采集谱段比较窄，只集中于可见或者短波。
根据上述的地面验证实验系统描述，下面是实际的操作流程：
1.将设备模拟月壤1，加热器2，模拟光源3，光谱探测设备4的方向和位置放置好，其中模拟光源3和模拟月壤1的角度为60度，并且固定住模拟光源3和模拟月壤1不动，将光谱探测设备4和模拟月壤1的角度也设置为60度，固定住不动，然后打开光源。
2.等待光源和加热稳定后，打开光谱探测设备4，进行混合光谱获取。
混合光谱模型大致可参考图4，图4中上面一条曲线表示月表在360K时的辐射能量，下面一条曲线表示月表在372K时的辐射能量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，包括：
模拟月壤(1)；
加热器(2)，位于所述模拟月壤(1)下表面，用于将所述模拟月壤(1)加热到指定温度；
模拟光源(3)，用于模拟太阳辐射能量，并照射在所述模拟月壤(1)上；
光谱探测设备(4)，用于探测所述模拟月壤(1)辐射能量，包括月表接收的太阳辐射能量和月表自身发射辐射的能量；
其中，所述月表接收的太阳辐射能量为：
其中，LREF(λ，T)为月表接收的太阳辐射能量，θ为太阳的高度角，MSUN(λ)为太阳辐射能量，ρ(λ)为月表矿物的反射率。
2.根据权利要求1所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述模拟光源(3)包括卤钨灯、模拟太阳器。
3.根据权利要求2所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述模拟光源(3)与模拟月壤(1)表面形成高度角的角度范围为30～60°，所述光谱探测设备(4)与模拟月壤(1)表面形成的高度角的角度范围为30～60°。
4.根据权利要求2所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述模拟光源(3)与模拟月壤(1)表面形成的高度角和所述光谱探测设备(4)与模拟月壤(1)表面形成的高度角的角度相同。
5.根据权利要求1所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述模拟月壤(1)组成包括单矿物月壤和混合矿物月壤，单矿物月壤包括钛铁矿、橄榄石、石灰石，混合矿物包括至少两种所述单矿物月壤的混合物。
6.根据权利要求1所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述加热器(2)加热到指定温度的温度范围为350K～380K。
7.根据权利要求6所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述加热器(2)包括电子数控加热器。
8.根据权利要求1所述的用于模拟探测月壤辐射能量的装置，其特征在于，所述光谱探测设备(4)包括短中波红外光谱仪。
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