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基于阵列Fabry–Pérot干涉仪温室气体探测系统灵敏度分析

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光学学报 2024年

作者：余苗傅頔张强王素凤文镇清刘长海王云刚李静冯玉涛中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室中国科学院大学中国人民解放军63768部队国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)中国气象局空间天气重点开放实验室

阵列Fabry–Pérot (F-P)干涉仪结构紧凑、无运动部件，能兼顾光程差采样密度与范围，是实现高精度、低成本温室气体探测的有效技术方案。F-P干涉仪设计参数是影响温室气体探测能力的核心要素，因此构建以积分灵敏度为导向的干涉仪参数... 详细信息

阵列Fabry–Pérot (F-P)干涉仪结构紧凑、无运动部件，能兼顾光程差采样密度与范围，是实现高精度、低成本温室气体探测的有效技术方案。F-P干涉仪设计参数是影响温室气体探测能力的核心要素，因此构建以积分灵敏度为导向的干涉仪参数优化设计方法是开展面向温室气体探测的阵列F-P干涉技术研究的必要基础。本文基于阵列F-P干涉仪温室气体探测原理，建立了阵列F-P原始干涉数据仿真模型，分析了F-P间隔厚度、干涉腔反射率、F-P数目以及相邻F-P光程差采样间隔对系统探测灵敏度的影响。结果表明，二氧化碳探测系统和甲烷探测系统的干涉腔反射率分别为0.42和0.47时，系统归一化灵敏度取得极大值；系统积分灵敏度与F-P数目正相关；相邻F-P光程差采样间隔取四分之一波长时，既能保证较高的积分灵敏度又能实现较宽的光程差采样范围。

关键词：温室气体二氧化碳甲烷法布里-珀罗干涉仪探测灵敏度

太阳塔高分辨率光谱观测系统研制与实验教学应用

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实验技术与管理 2024年第6期41卷 132-142页

作者：张记成孙英姿张文昭高健邓元勇王东光张洋王刚王晓帆王建王丙祥侯俊峰陈洁北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所北京100875 北京师范大学天文系北京100875 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室北京100049 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

该文以推进实测天文课程教学改革与提升天文实验教学质量为目标,对太阳塔硬件基础设施进行重新设计与系统优化,研制了一套太阳塔高分辨率光谱观测系统。该系统满足太阳光球、色球层特征谱线的高分辨观测需求,可达到研究太阳黑子和耀斑... 详细信息

该文以推进实测天文课程教学改革与提升天文实验教学质量为目标,对太阳塔硬件基础设施进行重新设计与系统优化,研制了一套太阳塔高分辨率光谱观测系统。该系统满足太阳光球、色球层特征谱线的高分辨观测需求,可达到研究太阳黑子和耀斑特性的观测精度。开放式的光路设计与模块化实验平台有助于学生将光学理论与天文实践相结合。文章设计“定标汞灯的光谱拍摄与谱线证认”和“太阳高分辨率光谱拍摄与谱线证认”两个实操型创新实验,从多重视角增进学生开展有关太阳科研的兴趣。实验将实践教学与科学研究充分结合,有效推动了天文实验类课程的教学改革。

关键词：太阳塔高分辨率光谱观测实验创新教学改革

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基于月球动力学演化的地质年代划分

中国科学：地球科学 2024年第1期54卷 244-263页

作者：郭弟均刘建忠 James W.HEAD 张福勤凌宗成陈圣波陈建平丁孝忠籍进柱欧阳自远中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心贵阳550081 Department of Earth Environmental and Planetary SciencesBrown UniversityProvidenceRI 02912USA 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 山东大学空间科学研究院山东省光学天文与日地空间环境重点实验室威海264209 吉林大学地球探测科学与技术学院长春130026 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院北京100083 中国地质科学院地质研究所北京100037 内蒙古工业大学资源与环境工程学院呼和浩特010051 中国科学院比较行星学卓越创新中心合肥230026

月球地质年代表将月球的地层按形成的时间顺序划分为不同的时代,能够清晰地表达月球的整体演化历史.在地基望远镜观测和阿波罗时代早期,由于当时所用数据的空间覆盖度和分辨率有限,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷.在阿波罗时代... 详细信息

月球地质年代表将月球的地层按形成的时间顺序划分为不同的时代,能够清晰地表达月球的整体演化历史.在地基望远镜观测和阿波罗时代早期,由于当时所用数据的空间覆盖度和分辨率有限,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷.在阿波罗时代结束以来的几十年里,人类对月球进行了更广泛的研究,拓展了对全月地质演化的认识和理解.基于对月球动力学演化的综合性分析,本文对当前的月球地质年代表进行了更新,特别考虑了内动力地质作用和外动力地质作用在月球早期演化中所发挥的作用.首先,根据内动力和外动力在不同时期对月球改造的效应,提出了三阶段月球动力学演化模型,并建立了三个相应的“宙/宇”级别的年代及地层单元.其次,为了更清晰地反映月球的演化历史,以南极-艾肯(SPA)盆地的形成为界线将前酒海纪划分为了岩浆洋纪和艾肯纪,其中较年轻的艾肯纪是以SPA盆地的形成为起点.本文识别了SPA盆地的溅射物地层,即达斯建造,其沉积在月球的原始月壳上,是岩浆洋结束后保存下来的最古老的外动力成因地层.更新的月球地质年代表系统综合了阿波罗时期以来月球探测和研究的成果,构建了一个描述月球演化历史的系统框架,能够更方便地开展月球地质研究,对其他类地行星的地质演化研究也具有重要的参考意义.

关键词：月球地质年代表演化历史内动力作用外动力作用

F_(10.7)指数与Ap指数短期预报检验

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空间科学学报 2024年第3期44卷 425-436页

作者：陈安芹李沐郭建广刘丹丹唐伟赵海娟中国气象局空间天气重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081

国家空间天气监测预警中心(NCSW)从2004年7月1日开始对用户提供空间天气预报服务,其中包括未来24 h,48 h和72 h的F_(10.7)指数和Ap指数预报.本文对2005-2022年NCSW的F_(10.7)指数和Ap指数的预报结果进行了检验.通过检验发现,NCSW预报的... 详细信息

国家空间天气监测预警中心(NCSW)从2004年7月1日开始对用户提供空间天气预报服务,其中包括未来24 h,48 h和72 h的F_(10.7)指数和Ap指数预报.本文对2005-2022年NCSW的F_(10.7)指数和Ap指数的预报结果进行了检验.通过检验发现,NCSW预报的未来24 h,48 h和72 h的F_(10.7)指数平均比实测值偏小;未来24 h的Ap指数平均比实测值偏大,未来48 h和72 h的Ap指数平均比实测值偏小.太阳活动水平越高,F_(10.7)指数的预报误差越大;但是Ap指数预报误差最大值反而出现在太阳活动下降段.此外,通过与跟报模型、14天回归模型、14天回归修正模型、27天回归模型和27天回归修正模型等简单的统计预报模型对比发现,NCSW的预报性能整体优于简单的统计预报模型.对于F_(10.7)指数,NCSW的预报性能略好于跟报模型,明显好于4个回归模型,但是当太阳活动水平较高时,跟报模型未来72 h的F_(10.7)指数预报性能优于NCSW;对于Ap指数,多数情况下,NCSW的预报性能明显优于统计预报模型,但是地磁扰动剧烈时,27天回归模型预报的Ap指数反而比NCSW的预报更准确.

关键词：空间天气预报检验 F_(10.7)指数 Ap指数

子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析

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地球与行星物理论评（中英文） 2024年第1期55卷 37-52页

作者：陈志青王国军张锋胡连欢常首民王霄中国科学院国家空间科学中心北京100190 空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 海南空间天气国家野外科学观测研究站儋州571700

为确保国产设备的探测质量,子午工程二期建设的电离层数字测高仪采用与成熟型号DPS-4D对比的方式,在位于海南儋州的空间天气国家野外科学观测研究站开展了样机测试.对参试设备及参试过程进行了介绍,对数据质量对比测试结果进行了详细分... 详细信息

为确保国产设备的探测质量,子午工程二期建设的电离层数字测高仪采用与成熟型号DPS-4D对比的方式,在位于海南儋州的空间天气国家野外科学观测研究站开展了样机测试.对参试设备及参试过程进行了介绍,对数据质量对比测试结果进行了详细分析.样机测试包括现场技术指标测试和数据质量对比分析.数据质量分析从频高图质量、电离层特征参量(foF2、hmF2、h'F2、自动度量和手动度量)、电离层漂移速度等多个方面进行综合对比,明确了样机的硬件和数据处理软件的技术状态.技术指标测试结果表明,样机的两通道峰值发射功率不超过686 W;两发射天线驻波比不超过2.23;接收通道灵敏度达到−125 dBm,接收动态范围达到105 dB;接收带宽70 kHz,带外抑制超过100 dB.数据质量对比结果表明,样机自动与手动度量的foF2平均偏差0.02 MHz,hmF2平均偏差28.39 km,h'F2平均偏差0.39 km;样机与DPS-4D手动度量的foF2平均偏差−0.13 MHz,hmF2平均偏差14.7 km,h'F2平均偏差−3.21 km.分析结果表明,样机在硬件的基础探测能力方面与DPS-4D相当,频高图度量的算法还存在改进空间.本次样机数据质量对比,不仅服务于子午工程二期电离层数字测高仪的技术定型,也为数字测高仪数据质量评估指标的确定提供了参考.

关键词：子午工程数字测高仪样机数据质量

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季节划分和变化研究进展

地理科学进展 2024年第4期43卷 826-840页

作者：林蔚孙秀宝任国玉张键彬福建理工大学智慧海洋科学技术学院福州350118 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室广州510301 中国地质大学(武汉)环境学院武汉430074 国家气候中心气候研究开放实验室北京100081 中国科学院大学北京100049

季节是全球和区域人类农业生产活动遵循的重要气候年内变化规律。近半个世纪以来全球地表气温明显升高,与地表气温相关联的季节起讫和持续时间等参数也随之发生显著变化。首先,论文总结了目前广泛应用的三大类季节定义方式,包括从行星... 详细信息

季节是全球和区域人类农业生产活动遵循的重要气候年内变化规律。近半个世纪以来全球地表气温明显升高,与地表气温相关联的季节起讫和持续时间等参数也随之发生显著变化。首先,论文总结了目前广泛应用的三大类季节定义方式,包括从行星角度出发的固定长度季节定义法、气温的绝对和相对阈值季节定义法、区域地理因素和天气平均态转变的季节定义法;其次,回顾了当前利用不同动态指标定义季节主要获得的历史时期冷季缩短、暖季变长的时空规律,以及气候变暖背景下自然变率和外强迫对季节长度变化原因的解释;最后,从季节定义方法的应用领域和空间上通用性角度评述了各个方法的优缺点,并从数据偏差影响、通用指数发展、气候变暖背景下变化机理三方面对未来进行了展望。研究结果明确了季节划分方式间的差别、季节变化特征及原因,不仅有利于指导农业生产,也可以为妥善应对气候变化提供可靠科学信息。

关键词：季节划分季节长度变化原因全球气候变暖

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火星无线电掩星探测进展

地球与行星物理论评（中英文） 2024年第2期55卷 164-174页

作者：肖洛肖存英胡雄吴小成王泽伟吴小其北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所北京102206 北京师范大学天文系北京100875 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

火星是地球的姊妹星,研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射,首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后,国际上不少的火星任务都开展了掩星实验,取得了重要进展.本文依据采用... 详细信息

火星是地球的姊妹星,研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射,首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后,国际上不少的火星任务都开展了掩星实验,取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研,针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等,梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息,以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性,并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座;并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量;火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合,发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进,无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究,包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将被人类掌握.

关键词：无线电掩星火星深空探测空间天文学

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中性风对夜侧电离层纬向四峰结构的影响

地球与行星物理论评（中英文） 2024年第1期55卷 94-108页

作者：熊超让心怡黄宇阳姜国英胡坤罗伟华湖北珞珈实验室武汉430079 武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室北京100084 中南民族大学电子信息工程学院武汉430074

欧空局Swarm星座包含三颗飞行在不同地方时的卫星,其为研究夜侧电离层纬向四峰结构随时间的演化提供了很好的机会.在2017年1月31日夜间,Swarm A和C两颗并排飞行的卫星在黄昏前后(17:55/18:01地方时)的美洲扇区并没有观测到赤道电离异常... 详细信息

欧空局Swarm星座包含三颗飞行在不同地方时的卫星,其为研究夜侧电离层纬向四峰结构随时间的演化提供了很好的机会.在2017年1月31日夜间,Swarm A和C两颗并排飞行的卫星在黄昏前后(17:55/18:01地方时)的美洲扇区并没有观测到赤道电离异常的两个峰,而Swarm B卫星在约4.5小时后飞行于大致相同的经度扇区,并观测到夜侧电离层呈现出明显的纬向四峰结构.该观测证明了纬向四峰结构中靠近低纬的两个内峰不是黄昏前后赤道电离异常峰的残余.在该事件中,位于秘鲁的Jicamarca非相干散射雷达从黄昏至午夜观测到向下的等离子体垂直漂移速度,表明向上的等离子体漂移速度并不是引起夜间纬向四峰结构的必要条件;而位于Arecibo的法布里-珀罗干涉仪观测到中性风显示出东向和南向分量的增强,表明中性风对夜侧纬向四峰结构的形成有着重要作用.SAMI2模型的模拟结果与卫星、非相干散射雷达及法布里-珀罗干涉仪的观测一致.模拟结果显示夜侧东向与赤道向风为纬向四峰结构的形成提供了有利条件;但当赤道向风过大时,会导致背景电子密度出现显著半球不对称性,从而阻碍夜侧纬向四峰结构的发展.

关键词：夜侧电离层赤道电离异常纬向四峰结构 Swarm卫星中性风

风云四号卫星轨道运动补偿算法建模与仿真分析

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年第10期 1879-1890页

作者：王嘉琛王静刘成保杨磊商建张志清曹赟国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 许健民气象卫星创新中心中国气象局遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室中国科学院空间应用工程与技术中心

中国第二代静止气象卫星风云四号(Fengyun-4,FY-4)是首次采用三轴稳定方式的高轨气象卫星系列，可以连续稳定高时间分辨率地对地球全圆盘观测。为了保证成像精度和稳定性，必须对载荷指向进行实时的轨道运动补偿(orbit motion compensat... 详细信息

中国第二代静止气象卫星风云四号(Fengyun-4,FY-4)是首次采用三轴稳定方式的高轨气象卫星系列，可以连续稳定高时间分辨率地对地球全圆盘观测。为了保证成像精度和稳定性，必须对载荷指向进行实时的轨道运动补偿(orbit motion compensation, OMC)、姿态运动补偿和热形变补偿来弥补卫星轨道漂移、姿态运动和热形变对卫星载荷指向偏差的影响。轨道漂移使像元周期性地偏离标称位置，星地一体化图像导航定位与配准系统（navigation and registration system, NRS）首先需要对载荷机械扫描角进行OMC来将视线引导至预期目标。为此，介绍了OMC算法原理，针对FY-4小视场类载荷辐射成像仪给出了其几何指向模型并生成了标称网格；重点推导了FY-4轨道坐标系、瞬时东南系和东南系3种姿态参考基准下的OMC转换模型，给出了定义法和旋转法两种轨道系与地固系的转换方法。利用在轨数据进行地面仿真计算，结果表明，两种转换方法对OMC精度的影响差异平均约为-1.1μrad。为提升NRS系统计算效率，以轨道坐标系和东南系作为OMC基准时宜采用定义法，以瞬时东南系作为基准时宜采用旋转法。针对FY-4B大视场载荷快速成像仪，仿真分析了长线列探测器边缘与主光轴的补偿误差。结果表明,当卫星偏离标称位置0.1°时，2 048×1维长线列探测器在250 m分辨率下,南北OMC高纬误差和低纬误差最大可达到8.2像元和8.3像元，两个扫描行的配准误差最大可达到11.6像元。

关键词： FY-4 OMC 标称网格长线列探测器