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天基电离层气辉成像仿真分析研究

光谱学与光谱分析 2022年第3期42卷 828-834页

作者：李政涂翠吴小成胡雄中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 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... 详细信息

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。

关键词：天基成像仪电离层气辉成像仿真

GBAII探测地球上空90~100 km气辉MTF研究

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光子学报 2022年第3期51卷 282-289页

作者：李存霞刘洋河李子健惠宁菊唐远河西安理工大学理学院应用物理系西安710048

分别利用He-Ne激光632.8 nm、O_(2)(0-1)867.7 nm和O(^(1)S)557.7 nm谱线作为光源,研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数,给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上,部分视场MTF高于0.6;对557... 详细信息

分别利用He-Ne激光632.8 nm、O_(2)(0-1)867.7 nm和O(^(1)S)557.7 nm谱线作为光源,研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数,给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上,部分视场MTF高于0.6;对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉,理论计算的MTF分别为0.508和0.510;由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24,与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。

关键词：地基气辉成像干涉仪光学传递函数干涉成像气辉光学仪器

火星O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉高光谱分辨辐射传输特性研究

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地球物理学报 2023年第5期66卷 1864-1875页

作者：武魁军吴传航胡向瑞王后茂熊远辉李娟何微微烟台大学物理与电子信息学院山东烟台264005 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院武汉430071 中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119

1.27μm波段的氧分子近红外气辉是火星大气最重要的气辉辐射之一,该气辉高光谱分辨辐射传输模型的建立对于研制火星探测载荷,反演火星大气的风场温度场与臭氧浓度,以及研究火星空间物理,有重要的科学价值与工程意义.在研究火星大气O_(2)... 详细信息

1.27μm波段的氧分子近红外气辉是火星大气最重要的气辉辐射之一,该气辉高光谱分辨辐射传输模型的建立对于研制火星探测载荷,反演火星大气的风场温度场与臭氧浓度,以及研究火星空间物理,有重要的科学价值与工程意义.在研究火星大气O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉光化学反应模型的基础上,提出了O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉体辐射率的计算方法,并建立了火星大气气辉辐射传输理论;通过与用于研究火星大气特征的光谱学探测仪(Spectroscopy Spectrograph for the Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars,SPICAM)的实测数据进行对比,验证了所建立的火星O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉高光谱分辨辐射传输模型的准确性;针对火星与地球大气的O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉,在体辐射率、自吸收效应,以及临边辐射光谱特性三个方面进行了系统深入的比较,对比结果表明,火星大气由于密度低、氧气丰度小,其自吸收效应可以忽略不计,但其O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉辐射强度与地球大气相当,可以用于火星大气的风场温度场与臭氧浓度的探测与反演.

关键词：临近空间 O_(2)(a^(1)Δ_(g))←O_(2)(X^(3)∑_(g)^(-))波段气辉体辐射率临边辐射强度

氧气A(O,O)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

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空间科学学报 2020年第6期40卷 1039-1045页

作者：杨晓君王后茂王咏梅中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响,而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A(0,0)波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A(0,0)波段气辉的光... 详细信息

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响,而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A(0,0)波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A(0,0)波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论,建立产生O2(b1∑g+)的光化学模型.计算气辉体发射率,基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果,对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.

关键词：氧气A波段气辉体发射率光化学辐射强度

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星载远紫外极光/气辉探测发展综述

地球物理学进展 2008年第5期23卷 1474-1479页

作者：王咏梅付利平王英鉴中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190

地球热层和电离层是近地卫星运行的主要场所,也是空间天气对人类活动影响的重要区域.气辉和极光是高层大气中的重要发光现象,其辐射特性、特别是紫外波段的辐射特性,是高层大气和电离层物理化学过程信息的重要来源.本文详细分析了国外... 详细信息

地球热层和电离层是近地卫星运行的主要场所,也是空间天气对人类活动影响的重要区域.气辉和极光是高层大气中的重要发光现象,其辐射特性、特别是紫外波段的辐射特性,是高层大气和电离层物理化学过程信息的重要来源.本文详细分析了国外远紫外极光/气辉探测和相应探测器的发展里程,并结合我国相关研制技术和水平,提出了发展星载极光/气辉探测的基本考虑和建议.

关键词：远紫外空间天气极光气辉探测器

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Adelaide地区大气重力波的气辉观测

空间科学学报 2007年第6期27卷 491-497页

作者：江葵丁锋万卫星 Reid I M Woithe J M 中国科学院地质与地球物理所澳大利亚Adelaide大学物理系

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995—2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉... 详细信息

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995—2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68min和36m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.

关键词：气辉最大熵谱分析滑动窗风剪切

被动探测气辉辐射强度和大气温度的理论与实验研究

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被动探测气辉辐射强度和大气温度的理论与实验研究

作者：孙鹏西安理工大学

学位级别：硕士

中高层大气(60-300km)是一个很重要的区域,其化学与物理过程与地球和太阳活动密切相关。中高层大气的温度数据是中长期天气、气候和环境研究的重要参数,为分析重力波传播、大气潮汐、光化反应等热力和动力学问题提供支撑,为卫星、航天... 详细信息

中高层大气(60-300km)是一个很重要的区域,其化学与物理过程与地球和太阳活动密切相关。中高层大气的温度数据是中长期天气、气候和环境研究的重要参数,为分析重力波传播、大气潮汐、光化反应等热力和动力学问题提供支撑,为卫星、航天器、空间站等航天航空设备寿命和安全提供参考。气辉是中高层大气的一种发光现象,它是被动遥感探测的光源。本文围绕地球上空90-100km的大气气辉辐射强度和温度的探测进行了相关研究。本文研究了O(1S)和O2(0-1)气辉的能级跃迁和光化学反应方程,根据大气粒子动态平衡推导出气辉体发射率VER(volume emission rate)表达式,利用NRLMSISE-00数据库中的大气粒子浓度,用MATLAB分别模拟得出VER随高度变化的离散化表达式;利用课题组 GBAII(ground based airglow imaging interferometer)研制的和本文自制的GBAVTII(Ground based airglow VER&temperature imaging interferometer)探测数据,建立了大气辐射传输模型,得出VER和IER(integrated emission rate)显函数关系式,最后得出GBAII探测的O2(0-1)气辉强度为1.45×107 photos cm-2s-1,O(1S)气辉强度为6.57×105 photos cm-2s-1,GBAVTII接收到的 O2(0-1)带气辉强度为4.77×107 photos cm-2s-1。鉴于GBAII测量VER的精度不稳定,本文自行研制了一台直接测量大气VER和温度的地基气辉成像干涉仪GBAVTII样机,依然选取O2(0-1)气辉为探测光源,设计了GBAVTII的光路,用计算机建模得到正演模型及100张正演图,然后搭建样机并在西安理工大学教九楼顶(E109.01°,N34.23°)室外拍摄得到有效的气辉成像干涉图,反演得出2019.12.29晚西安上空94km处的大气温度为186K,与当晚过境西安的SABER卫星探测温度181K相差5K;探测得到的O2(0-1)的IER为4.20×107 photos cm-2s-1,与理论计算出的 4.77×107 photos cm-2s-1相比误差为 13.6%。

关键词：气辉大气温度 VER IER 正演反演

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天基电离层气辉成像仿真分析研究

天基电离层气辉成像仿真分析研究

作者：李政中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

学位级别：硕士

电离层环境是日地空间环境的重要组成部分,电离层扰动会对通讯系统、电网系统和定位系统等造成严重的影响,因此了解电离层变化规律,对研究电离层对人类生产、生活的影响具有重要意义。气辉作为电离层的示踪物,辐射强度与所参与反应的电... 详细信息

电离层环境是日地空间环境的重要组成部分,电离层扰动会对通讯系统、电网系统和定位系统等造成严重的影响,因此了解电离层变化规律,对研究电离层对人类生产、生活的影响具有重要意义。气辉作为电离层的示踪物,辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关,利用气辉成像仪对电离层气辉进行探测,能够反映电离层电子总含量(TEC)、F2层峰值电子密度(NF2)和电离层扰动参数等特性,是有效的电离层探测方式之一。目前我国对电离层的天基气辉探测处于起步阶段,在当今各国纷纷发展和建立自己的电离层气辉探测体系之时,迫切需要我国完善对此类探测的研究。本文对电离层气辉辐射强度计算、天基成像仿真和电子含量反演等开展了分析研究,研究结果有利于推动天基成像仪的设计研制和参数优化,有利于丰富和扩展电离层探测手段。本文的主要内容和结论:(1)对电离层630 nm气辉光化反应过程进行分析,对夜间电离层中由氧原子D态跃迁至P态所产生的630 nm体辐射率进行计算,并对有实测气辉数据的区域进行辐射强度仿真。结果显示630 nm气辉体辐射率在海拔250 km附近到最大值,区域仿真结果与实测数据总体强度和走势相符,符合预期,辐射强度计算模型合理。基于不同太阳活动周期和季节对全球夜气辉强度进行仿真,仿真结果为设定成像仪探测指标提供依据。(2)开展了天基成像仿真研究,包括完整的成像链路分析、信噪比分析;使用一个时间延时积分(TDI)成像方式的成像仪参数作为典型参数,实现了通过辐射强度计算电信号、信噪比的计算方法,利用该方法能够得到在指定时空下的观测信号,为优化成像仪参数提供参考。实现了结合气辉强度波动和噪声影响的成像仿真。为优化成像仪参数提供参考。结果显示典型参数气辉成像仪在太阳活动高年期间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。(3)首次对630 nm气辉强度反演电离层电子含量进行初步分析,探究了体辐射率与电子密度的关系,探究了辐射强度与TEC、Nm F2的关系。并首次对辐射强度与电子含量比值的时空分布进行分析,总结出初步规律。本文研究成果为天基电离层气辉成像探测提供了理论依据,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。未来还可通过结合地磁、地理位置等参数提高电离层电子含量反演精度,并与GPS TEC掩星探测等数据配合,建立高精度全球三维TEC模型。

关键词：天基成像仪电离层气辉辐射成像仿真

1.27μm气辉的星载成像干涉仪风温探测技术

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光学与光电技术 2019年第2期17卷 72-78页

作者：何微微武魁军王姝娜傅頔王后茂刘秋新鄢小虎武汉科技大学城市学院湖北武汉430083 中国科学院武汉物理与数学研究所湖北武汉430071 长春理工大学理学院吉林长春130022 中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院国家空间科学中心北京100190

全球大气风场温度场探测具有重要的学术意义及广泛的应用前景。O_2分子的红外大气带(a^1Δ_g←X^3∑_g)在1.27μm波段的气辉具有相对较强的辐射以及相对较弱的自吸收,是实现较低空域的大气风场和温度场探测的最佳目标源之一。通过O_2临... 详细信息

全球大气风场温度场探测具有重要的学术意义及广泛的应用前景。O_2分子的红外大气带(a^1Δ_g←X^3∑_g)在1.27μm波段的气辉具有相对较强的辐射以及相对较弱的自吸收,是实现较低空域的大气风场和温度场探测的最佳目标源之一。通过O_2临边辐射光谱特性分析确定了两组共6条最佳目标谱线,论证了这些谱线对风温探测的空间覆盖能力,探讨了谱线的分离选取技术方案,并借鉴MIMI仪器设计参数,采用Michelson干涉仪进行了正演数值仿真,得到临边观测图像。数值模型结果分析表明,以O_2 1.27μm波段的气辉辐射为探测源的Michelson干涉成像仪可以实现45～90

关键词：风温探测干涉仪星载气辉临边观测