[发明专利]通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法及装置

说明书

本发明公开了一种通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法及装置，包括：对探测的月表温度的时间进行归一化处理，分为月昼温度和月夜温度；使用数学模型的方法将月壤密度和热导率表示为月壤粒径的函数，使用导热方程对月表月昼温度与月壤热物理性质进行关联；把月壤粒径作为唯一自由参数，利用Go语言的高并发特性，使用高性能计算机集群模拟计算月壤温度；将模拟的夜间表面温度与探测的月表月夜温度进行拟合，找出最优月壤粒径，同时得到月壤的密度剖面、温度剖面和热导率剖面。本发明使用的数值模拟方法，与实验室实验方法相比，保持了月壤的原始堆积方式。本发明利用go语言的高并发特性编写高性能程序，实现多核并行计算，提高求解速度。

技术领域

本发明涉及遥感数据处理技术领域，尤其涉及一种通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法及装置。

背景技术

月壤是分布在月球表面的一层松散堆积的风化物质，包含岩石碎屑、单矿物颗粒和撞击作用形成的玻璃物质等，其物理化学性质对于认识月球地质历史和探月航天器设计具有重要意义。月壤的形成过程十分复杂漫长，是陨石撞击、宇宙射线轰击和大幅度昼夜温差变化导致岩石破碎等共同作用而形成的。月壤的热导率，由热传导和热辐射两部分组成，这与固体颗粒的堆积方式和粒径有关。月壤的热物理性质对于航天器探测和宇航员活动具有重要意义。

自阿波罗计划实施以来，月壤的热物理性质(包括热导率、热容、密度和温度等)就引起了人们的广泛关注。早期的测量主要集中在阿波罗计划返回的月壤样品上，但是在星际运输过程中，月壤样品的填充方式受到了扰动，这会影响实验结果的可靠性。

数值模拟计算是一种CPU密集型任务，求解高精度要求的计算任务往往要耗费数周甚至数月的时间。为了加快求解速度，通常使用MPICH或OpenMPI实现并行计算。但是，MPICH通过进程间通信的方式来协调并行计算，通信延迟大导致并行效率低，而OpenMPI只支持单一计算节点，无法利用多节点的计算资源。

因此，提高月壤热物理性质测量的可靠性和效率是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提高月壤热物理性质测量的可靠性和效率，为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供了一种通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法及装置。

根据本发明的第一方面，一种通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法，具体包括以下步骤：

S1：对探测的月表温度的时间进行归一化处理，分为月表月昼温度和月表月夜温度；

S2：使用数学模型的方法将月壤的密度和热导率表示为月壤粒径的函数，使用导热方程对月表月昼温度与月壤热物理性质进行关联；

S3：把月壤粒径作为唯一自由参数，利用Go语言的高并发特性，使用高性能计算机集群模拟计算月壤温度；

S4：将模拟的夜间表面温度与探测的月表月夜温度进行拟合，找出最优月壤粒径，同时得到月壤的密度剖面、温度剖面和热导率剖面。

进一步地，步骤S1具体包括：

S1.1：对探测的月表温度的时间进行归一化处理，以日出时间为6点和日落时间为18点，把月球实际UTC时间转换成24小时制月球当地时间；

S1.2：将归一化后的温度数据分为月表月昼温度和月表月夜温度，其中月表月昼温度用于与月壤的热物理性质进行关联，月表月夜温度用于与模拟温度对比找出最优月壤粒径。

进一步地，步骤S2具体包括：

S2.1：使用数学模型的方法将月壤的密度表示为月壤粒径的函数：

月壤在深度z处的体积密度取决于固体颗粒密度G和填充系数Φ(z)，表示为：

ρ(z)＝GΦ(z)