1 中国科学院国家空间科学中心,北京 100049
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知重点实验室,北京100190
通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测, 能够反映电离层中电子总含量、 等离子体泡分布等特性, 是有效的电离层探测方式之一。 电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态, 在夜间以气辉的形式将能量辐射出去, 辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关, 因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。 天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势, 为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化, 丰富和扩展电离层探测手段, 需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。 该研究主要工作: (1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程, 设计了一种气辉成像仿真分析方法, 该方法对630 nm辐射强度进行计算, 分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布, 为设定探测指标提供理论依据; (2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究, 包括成像链路分析、 信噪比分析, 并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数, 开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。 本文主要结论: (1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切, 太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh, 太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh, 辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果; (2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km, 气辉水平分辨率达到1 km, 对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10, 在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构, 在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。 该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据, 也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。
天基成像仪 电离层 气辉 成像仿真 Space borne imager Ionosphere Airglow Imaging simulation
1 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知重点实验室，北京 100190
星光掩星技术探测恒星光经大气层消光、 折射等作用后的恒星光光谱, 利用大气中不同成分对不同波长的光吸收的差异反演得到大气密度信息。 低轨卫星与恒星分别位于地球两侧, 低轨卫星接收到不同切线高度上光谱, 即构成星光掩星观测。 光谱探测高度可从平流层至低热层, 其中不同波段可用于不同大气痕量成分密度反演。 星光掩星技术具有探测参数多、 全球覆盖、 垂直分辨率高、 无需定标等优点。 GOMOS(global ozone monitoring by occultation of stars)是搭载在欧洲航天局ENVISAT卫星上的平流层臭氧检测仪器。 GOMOS利用星光掩星技术进行探测, 设计精密, 分辨率高, 在轨稳定运行十年(2002年—2012年), 探测波长跨越紫外到可见光波段, 采用光谱反演和垂直反演迭代的方法反演大气成分密度, 得到了大量关于临近空间区域大气资料, 对长期监测平流层至低热层区域变化提供了可靠的数据支持。 利用GOMOS掩星数据, 提出一种简单的反演方法——剥洋葱法, 反演临近空间高度上臭氧数密度。 剥洋葱法假设地球大气对称且水平分层, 利用单个波段光谱进行反演, 假设在此波长上光谱的大气吸收效应全部由臭氧造成, 即选择臭氧吸收占据绝对优势的波长。 经分析, 在50~100 km高度上可以利用290 nm波段进行反演, 在15~50 km高度上可以利用600 nm波段进行反演。 根据Beer-Lambert定律, 随切点高度自上而下, 对恒星光光谱透过率利用剥洋葱法进行反演得到臭氧数密度。 将剥洋葱法反演结果与GOMOS官方发布结果相对比, 两者符合得很好。
星光掩星技术 臭氧密度 反演方法 剥洋葱法 Stellar occultation Ozone density Inversion method Near space
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
星光掩星技术中, 利用三维射线追踪方法模拟从地面到110 km高度红外辐射在大气中传输的路线。 其中, 设置频率为3.95×1014 Hz, 地球形状为椭球状, 模型为中性大气, 且已知在地固系中目标恒星的三维位置坐标和低轨卫星轨道数据。 再利用HITRAN数据库中高分辨率的氧分子吸收线参数, 包括吸收线强度、 低能态能量等, 以天狼星的红外光谱作为原始的接收光谱, 即去除地球大气的吸收散射等的作用, 光谱能量随着波长的增大而降低, 计算接收光谱在近红外氧气分子吸收A带(755～774 nm)的透过率。 考虑到仪器小型化, 选择氧气的特征吸收谱线760和762 nm, 计算两谱线位置的大气透过率随高度的变化, 并通过透过率计算接收光谱的信噪比, 进行仪器设计的指导。 另外, 由于大气折射作用, 必须将所得透过率进行折射修正。 通过仿真计算可知: 利用近红外波段755～774 nm, 计算了80, 100和110 km三个高度的大气透过率, 其随高度的逐渐增高而趋近于1。 相比0.2 nm光谱分辨率, 0.1 nm分辨率条件下大气透过率的变化范围更大, 为0.28～1, 在110 km透过率为0.987, 且探测的精确度可小一位。 折射引起的透过率在60 km以上等于1, 因此60 km以上可以忽略大气折射对大气透过率的影响, 无需进行折射修正。 利用760和762 nm的特征吸收线, 得到光强度信噪比均大于100, 且当分辨率为0.1 nm时, 光强度信噪比的值更小, 说明氧气对光谱的吸收作用更强。 两种分辨率条件下所得相邻两高度的光子数变化量差别不大且大于1。 最后, 根据以上结果, 可确定望远镜、 CCD、 光谱分辨率、 积分时间等参数, 用以研究和测试星光掩星的反演算法, 形成探测氧气从地面到110 km高度数密度变化的小型化仪器, 也可预先分析探测误差等。
星光掩星 三维射线追踪 近红外 透过率 Stellar occultation Three-dimensional ray tracing HITRAN HITRAN Near infrared Transmittance 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2092
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
星光掩星技术是利用恒星光谱进行地球及其他行星大气痕量成分密度、 温度、 气溶胶等测量的有效手段。 该探测原理主要是根据不同的大气成分在恒星光谱的不同位置上表现出不同的吸收特征, 具体表现在： 紫外波段可进行臭氧、 氧气、 氢气等的测量, 可见光谱段可探测二氧化氮、 三氧化氮、 氧气等, 红外可探测水蒸气、 气溶胶、 甲烷、 二氧化碳、 氧气等。 星光掩星的实现过程为： 当LEO卫星和恒星分别位于地球的两侧时, 恒星发射的光经过地球大气的吸收、 散射等作用, 被另一侧的LEO所接收, 即构成掩星观测。 根据光谱流量得到恒星的视星等范围, 给出恒星在天球坐标系中的分布和不同的光谱型, 以及利用各光谱型可探测的大气成分, 再利用恒星和LEO卫星在地固坐标系中的相对位置, 进行恒星-LEO星光掩星轨道观测模拟, 基本流程为： 首先读取LEO卫星的轨道位置以及目标恒星的位置, 设置24 h的模拟时间, 其次判断是否处于掩星状态, 当掩星开始时, 计算并输出掩星发生的经纬度、 速度等, 直至模拟时间结束。 其中涉及恒星从天球坐标系转换到地固系的过程, LEO卫星轨道、 掩星切点经纬度等的计算。 根据模拟流程, 计算并分析掩星事件的日观测量、 全球分布、 持续时间以及漂移速度等, 得到以下结果： (1）目标恒星在全天区都有一定数量的分布且具有不同的光谱型, 可进行臭氧、 二氧化氮等成分的探测； (2）在对星光掩星进行24 h的轨道模拟过程中, 日观测量为5 563次, 其中包括2 737次上升掩星, 2 826次下降掩星； (3）从全球分布来看, 掩星事件主要分布在低纬度, 两极最少, 其他纬度数量相当, 且经度方向分布均匀； (4）根据方位角的分布, 正常掩星占比为78.25%, 持续时间平均为1.5 min, 切点水平漂移在18～600 km； (5）21.75%的侧面掩星事件, 其较正常掩星来说, 持续时间长, 切点的水平漂移速度大, 方位角变化也大。 该结果为卫星轨道设计和探测载荷设计提供理论指导。
星光掩星 光谱型 卫星 持续时间 漂移速度 Stellar occultation Spectral type Satellite Duration Drift speed
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
以TIMED\SABER红外温度探测数据为观测值, WACCM模式预报场为温度背景值, 采用三维变分同化方法, 获取了20~100 km临近空间范围的全球大气温度场, 三维变分同化后, 临近空间全球温度场的分布发生了明显的变化, 经验证算法可行。利用统计学方法对同化结果进行评估, 结果显示, 三维变分同化后临近空间全球温度场误差整体减小, 三维变分同化前的温度背景场误差最大可达17 K, 三维变分同化后的温度分析场最大误差减小至7 K以内, 同化效果明显。该算法可用于为临近空间大气环境预报模式提供更精确的初值场。
同化 温度 临近空间 三维变分 assimilation temperature near space 3DVAR 红外与激光工程
2017, 46(8): 0804005
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京气象应用研究所, 北京 100190
为了验证微波调制激光技术进行速度测量的可靠性, 构建了一套通过微波调制激光技术测速的实验系统。利用激光作为载波, 微波作为模拟调制信号对激光信号进行强度调制,光电探测器对信号光强度进行直接探测。利用射频电路, 获得多普勒频移数据反演发射端和接收端相对运动速度。同时通过测量运动距离和时间计算平均运动速度, 作为第三方数据, 用于与微波调制激光技术测速的数据进行比较。理论分析了这套系统的原理并对其进行了实验验证。实验结果表明, 利用微波调制激光技术测速的数据与第三方数据平均偏差小于2.0%, 符合性好。
微波调制激光技术 多普勒频移 速度测量 microwave modulated laser technologies Doppler shift velocity measurement 红外与激光工程
2017, 46(3): 0306002
1 中国科学院 空间科学与应用研究中心,北京 100190
2 中国科学院 研究生院,北京 100049
建立了用于测量钠原子光谱的无多普勒饱和荧光光谱测量系统。在该系统中使用了线宽约100 kHz的窄线宽染料激光器和光电二极管探测器。钠泡温度控制在65 ℃。两束相向传播的激光束在钠泡中重叠共同激发荧光。光电二极管被放置在钠泡的侧面接收、探测激发的荧光。LabVIEW软件控制的数据采集卡采集光电二极管的信号。通过扫描染料激光器的激光频率,可以观测到钠原子的无多普勒特征D2a,交叉共振以及D2b。当激光频率扫描的步长约为2 MHz时,在实验中观测到了D2a中的三条谱线。
光谱学 超精细光谱 饱和荧光 钠原子
