远紫外光学遥感载荷在轨定标技术研究进展

远紫外波段（115～200 nm）光学遥感是在卫星上获得空间环境参数,如O,N₂和O₂等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、电离层电子密度TEC、电子密度廓线、等离子体含量、大气温度廓线、太阳EUV流量、能量粒子沉降等信息的重要探测技术,也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标,包括发射前实验室定标和在轨定标。发射前定标给出载荷的原始定标系数,而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。远紫外探测技术用于中高层大气、电离层、磁层、太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始,以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划,并且开展了大量的在轨定标技术研究,确保载荷数据的长期定量化应用。我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究,在轨定标技术基本属于空白。在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例,分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、在轨定标数据处理方法及处理结果。对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明,对于视场较大,且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪,首选外定标源法,即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源,根据运行轨道进行定标模式合理设计,并结合实验室定标数据,实现在轨全视场定标;对于光度计类的单点探测仪器,由于视场限制,极少有恒星观测条件,故推荐采用替代定标方式,实现载荷在轨长期监测,但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析,以提高定标精度;而利用内部标准源进行定标的方法,标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。     

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。     

115～180nm远紫外临边成像光谱仪信噪比分析与验证

115～180nm远紫外临边成像光谱仪原理样机是针对电离层探测而开发的预研空间光谱仪器。由于远紫外波段的特殊性,仪器所能接收到的信号非常微弱,因此灵敏度和信噪比就成为了衡量性能的重要指标。该文根据信号统计检测理论,在阈值理论的基础上,提出了计算这种仪器的灵敏度和信噪比的方法。首先分析了接收信号和系统噪声的概率分布,然后引入探测概率和虚警概率因子,从而推导出仪器的灵敏度与信噪比的计算表达式。根据灵敏度计算和电离层中探测粒子辐射波长的亮度范围,可知仪器的灵敏度能够满足探测需求。之后对仪器的信噪比进行了理论计算,并建立了相关的实验系统进行验证,结果表明,由该方法计算出的结果和实验结果之间的误差在允许范围内,因此是合理的。     

120～180nm星载远紫外电离层成像光谱仪光学系统设计与研究

针对目前国内对星载电离层成像光谱仪研究,设计了一种适用于120～180 nm远紫外探测的光学系统,并开展了原理样机的研制工作.对比国外各种方案,分析其优劣性后提出了以离轴抛物镜为物镜,Czerny-Turner结构为成像光谱系统的方案.为解决传统Czerny-Turner结构像差校正不均匀、空间分辨率低等缺点,进行了像...     

远紫外像增强器光谱响应特性研究

利用星载光学仪器对极光在远紫外波段进行形态探测是研究沉降粒子能量等空间环境参数的重要手段,而远紫外像增强器是进行空间极光远紫外形态探测仪器中所必不可少的光电成像器件,其性能的优劣将直接影响整个仪器的工作情况,其中光谱响应特性是像增强器的重要的特性之一。采用同步辐射真空紫外波段光作为光源,利用光电倍增管和硅光二极管分别测量同步辐射和像增强器光强,我们对研制的远紫外像增强器在135～250 nm波段范围进行了光谱响应测试,测试结果表明该器件在140～190 nm范围内有较好的响应,响应峰值在160 nm左右,符合远紫外极光成像探测的应用要求。     

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学系统

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱,针对这种情况,在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130～180nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜,串联Wadsworth结构为成像光谱系统;这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜,分光器件为平面光栅和球面光栅串联,实现二次色散,同时球面光栅起到聚焦成像作用;在像差理论的基础上,对该结构的光程函数和各像差进行了分析,获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统,设计结果证明系统像差得到了充分校正,在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率,性能优越。     

大气遥感远紫外光谱仪绝对光谱辐照度响应度定标方法研究

主要针对可应用于空间高层大气遥感的远紫外光谱仪的光谱辐照度响应度定标方法进行研究。针对远紫外波段光谱测试标准装置少,实验系统所需真空度高,实验稳定性难以维持,传统漫反射板和积分球辐亮度定标方法在远紫外波段局限性大、难以利用等特点,研究了适用于远紫外光谱仪器的光谱辐照度绝对辐射定标方法,搭建了相应的真空实验系统,以一台远紫外光谱仪原理样机为对象对研究方法进行了实验验证。实验系统以标准氘灯、真空紫外单色仪和准直系统组成照射系统,将出射准直光辐照度用标准探测器进行标定,三者共同组成了标准光谱辐照度光源;利用该光源照射原理样机并读出相应信号,最终获得光谱辐照度响应度,从而实现了利用标准探测器进行照度传递的远紫外光谱仪器绝对光谱辐射定标,有效的进行了仪器定标。该方法定标不确定度约为7.7%,对远紫外波段空间高层大气遥感光谱仪的地面辐射定标研究具有重要意义。     

太阳紫外辐射光谱的光学多道探测与分析

报道了自行研制的紫外CCD光学多道分析器及其在太阳紫外辐射光谱探测中的实际应用。紫外多道分析器光谱探测范围200～1 100 nm, 光谱分辨率0.1 nm, 光谱探测灵敏度0.02 lx。进行了成都地区UVA和UVB波段太阳紫外辐射光谱的实时探测,与常规的太阳紫外辐射探测仪器测量结果进行了比对,得到很好的相关。对所探测的太阳紫外辐射光谱进行的初步分析表明：太阳紫外辐射在一天内早晚小、中午大,与太阳天顶角(SZA)变化呈相反相关。UVB和UVA波段内不同波段的辐射量不同,长波段的辐射量一般比短波段的辐射量大。云和气溶胶对紫外辐射有重要影响,云对不同波长的辐射衰减不同。     

氟化钡晶体真空紫外透过率温度特性研究

真空紫外波段存在几个可用于研究电离层物理现象的重要光谱,其中135.6nm的夜气辉是重要的探测谱段,通过对该波段辐射强度的探测可反演出电离层电子密度(TEC)及F2层峰值电子密度。夜气辉发射线中,130.4nm的发射线与135.6nm光谱间隔很近,发射强度与135.6nm强度相当,因此,要实现对135.6nm夜气辉探测需要抑制130.4nm气辉辐射。分别对0.5和1mm厚的真空紫外级别的氟化钡晶体窗口透过率随温度变化特性进行研究,结果表明,氟化钡晶体的短波截止波长随温度的升高向长波方向偏移,在一定温度范围内,氟化钡晶体可以很好地抑制130.4nm辐射,并在135.6nm波段有较高的透过率。与国外相关文献所报道的通过加热SrF2晶体来抑制130.4nm辐射的方式相比,利用氟化钡晶体作为短波截止滤光片,可以将130.4nm的杂散光完全抑制,同时可以降低仪器功耗,对于电离层光学遥感探测有着重要的意义。     

电离层遥感远紫外成像光谱仪光学系统设计

基于Czerny-Turner分光结构的成像光谱仪光学系统,介绍了一种用于电离层观测的远紫外成像光谱仪光学系统设计方法。分析了该结构的像差来源,提出了使用发散光照明光路的消像差方法,计算了像差校正条件。设计了工作在120～180nm波长范围内的远紫外成像光谱仪光学系统,视场角为6.0°×0.1°,焦距为121.8mm,F数为6.2。利用调制传递函数(MTF)和成像仿真分析的方法对该系统的主要性能参数进行了评价,验证了设计的成像光谱仪的光谱分辨力优于1.0nm,空间分辨力优于0.1°,完全满足电离层观测的应用要求。与同类设计相比,该系统不含非球面光学元件,加工装调简单且易于工程实现。     

高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300 nm)的粒子探测,完善大气遥感,设计了一种高分辨率成像光谱仪,并开展了原理样机的研制.根据国外已有载荷进行分析,选用了以离轴抛物镜为望远系统、Czerny-Tumer结构为成像光谱系统的光学方案;针对真空紫外波段辐射弱的特点选取了带有MCP的二维光子...     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的最佳角度分析

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测,这一方法将偏振测量与干涉成像光谱技术相结合,一方面能提供辐射测量所不能提供的物体偏振信息,另一方面又可获取目标的空间图像和光谱,具有比辐射测量更高的准确度.在简要分析了利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的理论基础上,深入研究了偏振检测的方法,分析比较了目前常用的偏振探测角度（45°,60°）对偏振度探测的影响.进一步计算推导出偏振测量的最优探测角度,将之与以往常用的探测角度进行了分析比较,证明了此最佳探测角度可以有效地减小偏振误差、提高偏振探测的精度.这将极大地提高偏振干涉成像光谱仪的应用范围,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供重要的理论依据. 关键词： 偏振检测 偏振干涉成像光谱仪 探测角 Savart偏光镜     

用PtNe灯对大气紫外成像光谱仪进行光谱定标

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气紫外成像光谱仪的特点,选取PtNe空心阴极放电灯作为定标光源,建立了定标装置,对仪器进行了光谱定标。通过对仪器的输出结果进行数据处理,得到了像元序号与波长的函数表达式。定标结果表明,大气紫外成像光谱仪光谱定标的不确定度为0.043 nm。     

利用FY-3(D)卫星电离层光度计数据反演电离层O/N2

磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N₂浓度的显著变化,故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N₂作为电离层热层受扰动的标志。研究表明,O和N₂柱密度之比O/N₂与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N₂ Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性,因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。自20世纪70年代以来,国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作,并相继发射了多颗相关卫星,尤其是美国、日本以及瑞典等国家。而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中,只有一些工作在微波波段、可见光波段的载荷,还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器,直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射,卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷,它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据,为开展电离层O/N₂特性的研究奠定了基础。首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N₂的理论依据。其次,基于MSISE-00大气模型,利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N₂之间的比例系数,然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N₂,进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。在数据处理过程中,采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理,进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。最后,将电离层光度计O/N₂的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI（Global Ultraviolet Imager）的结果进行对比,结果显示二者对磁暴的响应一致,O/N₂的产品误差RMS约为0.319 6,文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析,为后续工作的开展奠定了基础。此次研究,首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析,这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。     

室内高压电弧/电晕的紫外特性分析和测量研究

随着我国电力技术的迅猛发展,因电弧/电晕放电造成高压设备损坏、高压线传输损耗的问题愈加引起重视。完成了电弧/电晕目标在200～1 000 nm的光谱特性测量,发现电弧电晕光谱强度分布主要集中在200～400 nm紫外波段。提出了使用紫外面阵成像技术用于探测研究电弧/电晕的方法,通过一套自制的紫外面阵成像系统,成功实现了对高压电弧/电晕目标进行的实验室内紫外成像,以及氙灯积分球辐射定标与目标反演。实验结果表明,该套紫外面阵成像系统可用于对电弧电晕放电进行实时检测。该研究验证了电弧/电晕的紫外辐射特性,在距离2 m处得到反演后的6 kV电弧的紫外240～280 nm波段的辐照度为3.39×10-5 W·cm-2,为深入开展电弧/电晕的紫外特性研究提供强有力的依据。     

光栅色散临边成像光谱仪的研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。从大气临边成像光谱探测的原理出发,设计并研制了光栅色散紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构型式,其中,前置望远光学系统为像方远心,光谱成像系统为物方远心。工作波段为540~780 nm(一级衍射光谱)和270~390 nm(二级衍射光谱),通过切换可见、紫外带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8 kg,体积为450 mm×250 mm×200 mm。实验检测结果表明,该样机的空间分辨率为0.45 mrad,光谱分辨率为1.3 nm,均满足设计指标要求,并且具有体积小、质量小等特点,适合空间遥感应用。     

电离层O~+83.4 nm日辉辐射传输特性研究

电离层极紫外波段(10～100 nm)日辉辐射主要是由太阳光电离激发以及光电子碰撞电离激发过程产生的,利用天基遥感探测手段对极紫外日辉辐射进行观测,可以获得白天电离层F层的电子密度、离子密度及空间分布等信息。极紫外波段日辉的天基遥感探测技术在国外起步较早,尤其是欧美、日本等国家,目前已经处于相对成熟的阶段。而我国对极紫外波段气辉辐射的研究几乎为空白,对电离层的探测也主要集中在夜间,如2017年我国发射的风云三号气象卫星D星上装载的电离层光度计可以获得夜间电离层峰值电子密度。对极紫外气辉进行遥感观测,特别是对电离层中O~+ 83.4 nm日气辉辐射的辐射特性进行探测,是获得白天电离层辐射特性的重要手段,也是国际上电离层光学遥感探测技术的研究热点。首先介绍了极紫外日辉的辐射传输理论,对日辉辐射的激发过程、碰撞过程以及共振散射过程进行了介绍,在此基础上重点分析了O~+ 83.4 nm日气辉辐射的产生机制及辐射特性。该辐射是太阳光电离激发低热层中的O原子而产生,为电离层极紫外气辉中辐射强度较强的信号之一, 83.4 nm气辉的高度分布情况可以提供电离层O~+密度扩线以及电子密度扩线,为白天电离层探测提供了一种有效手段。其次分析了O~+ 83.4 nm日辉辐射的谱带特性,以MSIS-00大气模型为基础,利用由美国计算物理公司与空军实验室联合开发的AURIC v1.2模型计算83.4 nm气辉辐射的初始体发射率、共振散射作用下的体发射率和临边柱辐射强度的分布情况,探究O~+83.4 nm日辉谱线与高度、纬度、太阳活动和地磁活动等电离层物理参量的相关性。基于极紫外日辉辐射算法,同时根据氧离子83.4 nm辐射传输特性,考虑该辐射的多次散射效应,提出了氧离子83.4 nm日辉辐射的计算方法。假设电离层呈现电中性,获得氧离子83.4 nm日辉强度可以反演白天电离层O~+密度,进而获得白天电离层F层电子密度的分布情况,为探究白天电离层特性提供了重要依据。     

基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法

像面干涉高光谱成像技术主要应用于遥感成像领域,为了实现不同距离目标的光谱成像探测,提出了一种基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法。通过在无限远成像系统中加入前端成像物镜、中继准直物镜和横向剪切分束器,构建一个二次成像的干涉系统。通过采用分离式的前端成像物镜方案,选用变焦镜头或不同焦距的定焦镜头,有效地兼顾远、近距离目标的成像光谱探测。对该方法的成像系统、光谱分辨率和推扫方式等方面进行了分析,进一步搭建了实验装置,对室内近场目标和室外远场目标进行了成像实验,并对生物组织进行了显微光谱干涉成像实验。实验结果表明,该成像方法能够有效用于不同距离目标的高光谱成像探测。     

紫外诱导高光谱成像的海洋溢油及乳化探测方法

针对夜间溢油探测问题,提出了一种通过紫外(UV)LED诱导并基于高光谱波段差辐射指数的探测方法。通过高光谱成像仪,同步采集了紫外LED和卤素灯两种照明方式下的原油、乳化油和本底海水的高光谱图像。基于33个波段(400~720 nm)辐射值构建了波段差指数作为溢油鉴别特征。特征优化方面,通过增L减R法、Fisher法进行了有效波长的选择,通过多维尺度分析、主成分分析(PCA)、独立分量分析进行了波段特征提取,通过径向基函数-支持向量机模型对结果进行识别。结果表明,基于紫外LED的高光谱波段差指数的溢油探测模式,比卤素灯的波段均值识别率分别提高了6.01%和8.17%,因此紫外LED光源更适合夜间溢油及乳化的准确探测。并且,通过Fisher有效波长选择和通过PCA得到的特征组合两种方法识别效果相当,优选的3波段特征的紫外识别率分别达到了85.89%和87.02%,12特征的溢油准确率均达到了100%,通过Fisher法提取的有效波长(400~420 nm),更适合于实际在线溢油探测。紫外诱导下高光谱的成像的海洋溢油鉴别模型,为夜间海洋溢油探测提供了一种快速鉴别方法。     

尖端放电紫外光谱特性仿真分析及验证

尖端放电是物体尖锐处产生的一种放电现象,它属于一种电晕放电,在避雷针、静电除尘等技术中有着广泛应用。目前对尖端放电的研究主要集中在放电强度方面,而对其光谱方面的研究并不多,研究发现尖端放电在紫外波段具有强烈的辐射。利用Comsol软件对尖端放电的电离特性进行仿真,结合数学物理模型分析了放电辐射光谱及辐射强度,发现其辐射强度随时间的变化先增加后减小,并可根据N2+的分布强度估算紫外波段的辐射强度。通过研制一套紫外面阵多光谱成像系统,对尖端放电进行了三个紫外光谱通道的成像,实验结果表明,尖端放电的辐射光谱在240～340 nm波段之间都有分布,且在315～340 nm之间分布最强。同时得到尖端放电的紫外辐射强度随着尖端距离的增加而减小,并与成像积分时间成一定的线性关系。发现在同一通道,线性斜率随尖端距离的增加而减小。通过对尖端放电三个紫外光谱通道的成像码值反演成辐射能量,得到辐射能量与尖端距离,尖端电压以及积分时间之间的关系,验证了尖端放电的数学物理模型,为深入研究尖端放电的紫外特性提供了有力的支撑依据。