人类第一次在月球轨道上对月球表面微波特性进行探测的“嫦娥一号”卫星微波探测仪(CE-1 Lunar Microwave Souder,CELMS),2007年10月24日成功发射,并于同年11月7日进入工作轨道。CELMS在轨运行一年多,完成了全部使命。其观测面元已多次覆盖全月表面,获取了全月表而微波亮温,由此创建了“微波月亮(Microwave Moon-MicM)”[1]。MicM是月表物理化学特性的直接反映,通过对微波亮温的研究,建立这些特性与亮温的关系,就能够对这些参数进行直接反演,这比起以前间接测量的结果更加接近实际。　　 本论文详细讨论CELMS在轨定标及亮温处理的实现过程,重点论述了定标的微波辐射传输原理及其参数的试验测试方法,分析了冷空定标在月球轨道的复杂性,建立了微波亮温算法和接收机非线性修正算法,并通过与模拟的Apollo登月点数据的比较确定了3.0GHz天线的辐射效率。通过对CELMS全月亮温分布及其特点进行分析,发现月表亮温包含了丰富的月壤特性的信息,是表面物质的介电特性、地形、表层温度分布、月壤厚度分布特性的综合反映。因此本论文将重点对这些参数的特点进行模拟和分析,并利用CELMS的数据对它们进行反演。　　 首先,月球表层温度是月球物理化学特性的一个重要物理量,也是月表微波遥感的重要参数。本论文利用从Apollo*、Luna**等登月点得到的有关月表物质特性的研究结果,建立了热传导率模型,比较了不同月壤密度和比热模型,分析了月壤下边界的温度特性,从而通过求解多层月壤热传导方程,得到了月球表层温度的时间和空间分布规律的模拟结果。这些结果表明:月表温度从赤道向两极逐渐降低；月球白天温度变化剧烈而月球夜晚变化缓慢；月球表层温度剖面的昼夜变化,除了在两极地区波及到约1.0m深度以外,其它地区主要集中在表层20cm的范围,在这个深度以下温度基本上稳定。特别地,本论文比较了利用多层模型和两层模型求解的表面温度和剖面温度模拟结果之间的差异,通过与Apollo15和Apollo17登月点测量温度的比较,验证了多层模型能够更接近地模拟月表真实状况。　　 其次,月球表层参数的变化导致了CELMS不同通道亮温的变化。本论文比较了月壤微波辐射传输的非相干和相干模型在模拟月表微波亮温上的差异。在此基础上,建立了一种可以进行月壤微波辐射传输计算的多层非相干模型,用来模拟全月亮温分布。本论文分析了不同参数对模型计算结果的影响,其中包括多次反射、散射、入射角、月壤和月岩介电常数以及剖面分层方法等,在此基础上得到了针对CELMS四个通道不同纬度、不同温度、不同时间、不同月壤厚度下的模拟亮温。结果表明:温度的波动是月表亮温变化的主要因为；随着月壤厚度的不同,不同时刻四个频率亮温之间的大小关系呈现不同的交替变化。理论模拟的结果有助于分析CELMS数据的内在规律和特点,验证CELMS测量数据的正确性,为遥感数据的解译和科学参量的反演提供依据。　　 月壤厚度、介电常数等是月壤研究的另外两个重要参数,也是研究月球3He资源分布、月球进化的重要参数。本论文建立了CELMS亮温反演月表物理温度、月壤厚度、介电常数的理论算法,并通过最大似然估值的方法,得到了这些参数的反演结果,并与此前文献上有关评估结果做了对比分析,进而利用反演的全月介电常数和月壤厚度,并根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,第一次利用实测数据对全月3He资源量进行了估算。结果表明:月表温度除随纬度变化外,月海和月陆的温度分布有着明显的不同,这可能与它们的物质组成和介电特性有关；月壤厚度的分布范围多数在4.0～6.0m,月壤厚度超过5.0m以上的区域占全月的43％以上；全月3He资源量约为103万吨,这更接近目前国际上评估的100～500万吨3He资源量的低端。　　 最后,分析了模拟结果与实测结果的一致性。通过比较月表不同频率昼夜微波亮温的差异,发现了昼夜亮温差异能够较为直接地反映了月壤厚度和表面介电常数的信息。本论文的数据处理方法和模型将随着有关月表特征参数研究的深入、数据的积累而逐步完善并得到验证。