彭吉龍，于 錢，馮桃君，易 忠,2，田東波，張 凱，聶翔宇，馬子良

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

0 引言

電離層對(duì)于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航及GPS定位等有著重要影響，主要表現(xiàn)在無線電信號(hào)在電離層傳播時(shí)，路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)變化。對(duì)于GPS信號(hào)，在夜間當(dāng)衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響造成的誤差約為5 m；而在日間正午前后，當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，延遲誤差能達(dá)到 150 m[1-2]。

電離層對(duì)無線信號(hào)的影響主要來自于地球電離層的電子，國外IMAGE、TIMED以及COSMIC等衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了O+與電子的輻射復(fù)合過程產(chǎn)生的135.6 nm夜氣輝與電離層電子密度有關(guān)[3]。遠(yuǎn)紫外輻射信息受地表及邊界層大氣復(fù)雜背景的影響較小，因此對(duì)135.6 nm大氣輝光的探測(cè)有助于研究夜間電離層結(jié)構(gòu)的變化。利用反射鏡加能量探測(cè)器的光度計(jì)方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層總電子含量的探測(cè)。我國的“風(fēng)云三號(hào)”D星于2017年發(fā)射成功，搭載了國內(nèi)首次研制的電離層光學(xué)遙感探測(cè)器——電離層光度計(jì)。該電離層光度計(jì)采用反射鏡加光電倍增管的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)135.6 nm夜氣輝的高靈敏度探測(cè)，并且利用電機(jī)控制濾光片的方式實(shí)現(xiàn)白天對(duì)N2LBH帶的探測(cè)，從而可以反演O/N2比。該光度計(jì)中的商用光電倍增管抗振加固，以及電機(jī)控制和濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等占用了較多的質(zhì)量和空間資源，功耗較大。

電離層全球覆蓋且動(dòng)態(tài)變化，而單個(gè)電離層光度計(jì)所探測(cè)的視場有限，為了獲得高時(shí)空分辨率的電離層電子密度數(shù)據(jù)，需要有盡可能多的電離層光度計(jì)在不同的軌道平面對(duì)電離層進(jìn)行探測(cè)。目前國際上正大力發(fā)展開發(fā)周期短、成本低的20 kg級(jí)微納衛(wèi)星平臺(tái)，可以快速實(shí)現(xiàn)多星星群探測(cè)模式，為空間環(huán)境探測(cè)提供了多種軌道搭載、獲得豐富數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。

為適應(yīng)質(zhì)量和體積都在持續(xù)壓縮的微納衛(wèi)星平臺(tái)，需實(shí)現(xiàn)電離層光度計(jì)的低成本和輕量化，使其適應(yīng)大批量生產(chǎn)和搭載的需求。本文依據(jù)通過夜氣輝輻射強(qiáng)度測(cè)量反演電離層總電子含量的原理，研制了適用于微納衛(wèi)星的微型電離層光學(xué)探測(cè)器。

1 探測(cè)器工作原理

微型電離層光學(xué)探測(cè)器利用反射鏡收集OI 135.6 nm夜氣輝的輻射光子，聚集到光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)化成電脈沖，然后通過對(duì)電脈沖的計(jì)數(shù)得到入射135.6 nm夜氣輝的強(qiáng)度信息，利用135.6 nm夜氣輝的強(qiáng)度信息可以反演出電離層總電子含量（TEC）。因此微型電離層光學(xué)探測(cè)器的組成包括反射鏡、濾光片、光電倍增管和配套的電子學(xué)電路。在電離層高度，OI 135.6 nm 夜氣輝輻射（hv）主要由 O+與電子的輻射復(fù)合過程產(chǎn)生，

只有很小一部分來自O(shè)+與O-的中和反應(yīng)[4]。

忽略中和反應(yīng)對(duì)OI 135.6 nm夜氣輝輻射強(qiáng)度的影響，135.6 nm夜氣輝體的發(fā)射率ε可簡化為[5]

式中：α為輻射復(fù)合速率；ne(z)和no+(z)分別為高度z處電子和O+的密度。若假設(shè)電子和O+的密度相等，則電離層探測(cè)器測(cè)量的OI 135.6 nm夜氣輝輻射強(qiáng)度I（單位：瑞利(Rayleigh)）可表示為

式中Zsat為衛(wèi)星軌道高度。若采用Chapman函數(shù)描述電子密度隨高度的分布，則式(3)可簡化為

式中：K1為和光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)；NmF2為電離層峰值電子密度；H為電離層等離子體標(biāo)高。

電離層總電子含量的計(jì)算公式為

同樣假設(shè)電子密度隨高度的分布服從Chapman函數(shù)，可得

式中K2為和光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)[6-7]。由式 (4)、(6)可知，OI 135.6 nm 夜氣輝的輻射強(qiáng)度與TEC的平方呈正比。

綜上所述，在特定的時(shí)空及太陽活動(dòng)指數(shù)的約束下建立TEC與OI 135.6 nm夜氣輝輻射強(qiáng)度的回歸關(guān)系，可以得到不同時(shí)空及太陽活動(dòng)條件下的回歸系數(shù)[8-9]，再由實(shí)際的 OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度探測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的回歸系數(shù)即可反演出TEC。

2 總體設(shè)計(jì)

微型電離層光學(xué)探測(cè)器利用電離層中原子氧夜氣輝輻射強(qiáng)度同峰值電子密度的關(guān)系，通過探測(cè)OI 135.6 nm夜氣輝輻射強(qiáng)度，反演電離層峰值電子密度。為實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星的搭載需求，盡量壓縮探測(cè)器的資源占用，以“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星電離層光度計(jì)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了以下改動(dòng)設(shè)計(jì)：1）功能上保證實(shí)現(xiàn)135.6 nm夜氣輝探測(cè)以反演電離層參數(shù)，去掉白天探測(cè)O/N2的功能，可減少電機(jī)和濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；2）將反射鏡由玻璃材料改為易于做減重處理的鋁合金，既減小了反射鏡本體質(zhì)量，又可以和結(jié)構(gòu)一體化，大幅縮減結(jié)構(gòu)體積和整機(jī)質(zhì)量。采用鋁合金材料還利于批量化加工，滿足百顆級(jí)微納衛(wèi)星群低成本、快速布網(wǎng)的要求。

探測(cè)器整體包括鋁合金離軸拋物面反射鏡、BaF2晶體濾光片、日盲型探測(cè)器，以及配套的前放和鑒別器、分壓器、高壓電路等電子學(xué)電路。離軸拋物面鏡將入射的電離層氣輝輻射匯聚到拋物面鏡的焦點(diǎn)上，探測(cè)器放置在焦點(diǎn)位置，光路中的BaF2濾光片可濾除130.5 nm以下短波及雜散光的影響。通過光機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)以及高靈敏電荷前放在高壓電源和衛(wèi)星平臺(tái)電磁環(huán)境下的抗干擾設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)器光機(jī)、電路、傳感器一體化，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微型電離層光學(xué)探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the micro ionospheric detector

中低緯地區(qū)夜間135.6 nm夜氣輝的輻射強(qiáng)度通常在幾十Rayleigh，弱時(shí)在0.1 Rayleigh以上。根據(jù)光電倍增管的特性，其暗計(jì)數(shù)約為7個(gè)，對(duì)于0.1 Rayleigh的極端情況，需滿足測(cè)量時(shí)的信噪比要求。根據(jù)COSMIC和“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星電離層光度計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)果[10]，探測(cè)器靈敏度S達(dá)到150 count/(s·Rayleigh)時(shí)可以滿足電離層探測(cè)需求。此時(shí)即使對(duì)0.1 Rayleigh的弱光進(jìn)行探測(cè)，仍可測(cè)得15個(gè)計(jì)數(shù)，達(dá)到2倍的探測(cè)信噪比。

探測(cè)器中光電倍增管量子效率由器件性能決定，根據(jù)產(chǎn)品說明和測(cè)試結(jié)果，在135.6 nm工作波段，光電倍增管量子效率均高于0.25，BaF2濾光片的透過率為0.4。探測(cè)器靈敏度的計(jì)算公式為

式中：106是1 Rayleigh輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的光子數(shù)；Q是光電倍增管量子效率；T是光度計(jì)濾光片的透過率；R是鏡面反射率；A是鏡面的光收集面積；Ω是儀器立體視場角。選取光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)為反射鏡口徑 50mm、視場 3.5°×1.5°時(shí)，探測(cè)器的靈敏度滿足要求（＞150）。

按以上設(shè)計(jì)完成電離層探測(cè)器樣機(jī)（見圖2），其主要指標(biāo)見表1。

圖2 電離層探測(cè)器樣機(jī)Fig.2 Prototype of the micro ionospheric detector

表1 電離層探測(cè)器主要指標(biāo)Table 1 Technical specifications of the ionospheric detector

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證儀器的靈敏度，考慮單反射鏡系統(tǒng)，視場角設(shè)為3.5°，入瞳直徑設(shè)為50mm。

為保證儀器的小型化，分別采用球面、拋物面、高次非球面和自由曲面4種面型進(jìn)行了設(shè)計(jì)和比較。從對(duì)4種面型的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果看，高次非球面和自由曲面對(duì)探測(cè)性能和儀器小型化的貢獻(xiàn)不大。考慮各面型的加工難度，儀器設(shè)計(jì)最終選擇了加工和檢測(cè)技術(shù)都比較成熟的拋物面系統(tǒng)，其反射鏡光路如圖3所示。用仿真圖測(cè)技術(shù)對(duì)比3.5°視場角內(nèi)不同視場下的點(diǎn)列圖（見圖4），各視場對(duì)應(yīng)的像斑尺寸見表2。由表可見，在3.5°×1.5°的視場內(nèi)，探測(cè)器靶面上的光斑分布范圍為3.5mm×5mm，小于探測(cè)器 4mm×9mm 的窗口面積。

圖3 拋物面反射鏡光路示意Fig.3 Schematic diagram of optical design based on parabolic mirror

圖4 各視場下的點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagram from different field of views

表2 各視場對(duì)應(yīng)的像斑尺寸Table 2 Spot size corresponding to different field of views

2.2 反射鏡

傳統(tǒng)遠(yuǎn)紫外光學(xué)系統(tǒng)采用熔融石英等玻璃反射鏡，不適合大批量加工；并且為滿足衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的抗振要求，玻璃反射鏡需靠抗振結(jié)構(gòu)支撐，體積、質(zhì)量均較大。遠(yuǎn)紫外光度測(cè)量時(shí)系統(tǒng)的成像質(zhì)量并不影響探測(cè)結(jié)果，因此可采用鋁質(zhì)材料代替玻璃制作反射鏡。加工完成后的鋁合金反射鏡如圖5所示。

圖5 鋁合金反射鏡Fig.5 The aluminum alloy reflecting mirror

相對(duì)于玻璃反射鏡，鋁質(zhì)反射鏡因?yàn)橛捕容^低，較難達(dá)到高的面型精度和粗糙度水平。對(duì)加工后的鋁反射鏡進(jìn)行面型和粗糙度的檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見圖6。由圖可見，離軸拋物面反射鏡面型誤差峰谷值（PV）為 2.70λ（λ=632.8 nm）、均方根值（RMS）為 0.39λ；粗糙度均方根值為 1.427 nm。

圖6 鋁反射鏡檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Inspection result of the aluminum alloy reflecting mirror

2.3 濾光系統(tǒng)

本探測(cè)器探測(cè)的有效波段為135.6 nm，而夜氣輝的主要輻射波除135.6 nm外，還包括240 nm以上的長波，以及130.5和102.4 nm等數(shù)條短波譜線[4]。通常可利用光柵或窄帶濾光片技術(shù)來濾除無關(guān)波段的入射光，但真空光柵和窄帶濾光片光學(xué)效率很低，理想情況在10%以下，無法滿足高靈敏度探測(cè)的要求。因此，本儀器中依靠MgF2窗口的日盲型傳感器和短波抑制濾光片的組合實(shí)現(xiàn)濾光功能，MgF2窗口的日盲型傳感器可以抑制200 nm以上的長波輻射，氟化物濾光片可以濾除130.5 nm及以下的短波輻射。氟化物晶體材料是真空紫外波段常用的透射材料，利用BaF2晶體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)130.5 nm以下短波的抑制，并透過135.6 nm輻射（參見圖7）[11]。

圖7 BaF2 晶體透過率Fig.7 Transmittance of the BaF2 crystal

2.4 電子學(xué)設(shè)計(jì)

入射遠(yuǎn)紫外光子經(jīng)反射鏡反射后到達(dá)光電倍增管光陰極，光陰極吸收光子并產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子在外電場的作用下被光電倍增管倍增極倍增，在陽極產(chǎn)生電荷云。最終，微弱氣輝輻射產(chǎn)生的離散光子在光電倍增管陽極產(chǎn)生離散的電荷云。探測(cè)器電子學(xué)部分的功能是將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，后續(xù)電路將對(duì)脈沖計(jì)數(shù)從而確定入射光子數(shù)量，得到相應(yīng)的信號(hào)光輻射強(qiáng)度。

電子學(xué)部分組成見圖8。

圖8 微型電離層光學(xué)探測(cè)器的電子學(xué)部分組成示意Fig.8 Block diagram of electronics part for the detector

選用電荷靈敏放大器A111完成電荷放大、成形和鑒幅。A111可檢測(cè)8×10-15C的電荷，對(duì)應(yīng)的電荷靈敏度約為5×104。高壓電源為光電倍增管提供900 V高壓，可提供106的增益，以保證光電倍增管輸出電荷不漏檢。

電荷檢測(cè)電路見圖9：光電倍增管陽極輸出經(jīng)交流耦合后輸入電荷靈敏放大器輸入端；電容一端通過電阻接地，以防止長時(shí)間后的電平漂移；前放將電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后整形為脈沖信號(hào)輸出；前放輸出接跟隨器增加驅(qū)動(dòng)能力后輸出到衛(wèi)星計(jì)數(shù)接口。

圖9 電荷檢測(cè)電路原理Fig.9 Schematic of the pre-amplifier circuit

探測(cè)器輸出結(jié)果見圖10。從圖中可見脈沖幅值達(dá)5 V，可匹配標(biāo)準(zhǔn)的TTL和CMOS接口器件；脈寬約 500 ns，可計(jì)數(shù)頻率超過 1 MHz，滿足對(duì)于強(qiáng)氣輝的探測(cè)需求。

圖10 探測(cè)器輸出脈沖Fig.10 Output of the ionosphere detector

3 結(jié)束語

采用光學(xué)方式探測(cè)電離層參數(shù)是研究電離層環(huán)境探測(cè)的重要手段。原子氧遠(yuǎn)紫外夜氣輝因?yàn)橥婋x層總電子含量的關(guān)系，成為探測(cè)電離層的關(guān)鍵途徑。微納衛(wèi)星是衛(wèi)星發(fā)展的重要方向，我國微納衛(wèi)星的數(shù)量也會(huì)越來越多，為有效利用微納衛(wèi)星平臺(tái)搭載機(jī)會(huì)，必須降低電離層探測(cè)載荷的質(zhì)量、體積等。本文介紹了采用鋁反射鏡的光機(jī)一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紫外光度探測(cè)的技術(shù)，探測(cè)器質(zhì)量950 g，體積 114mm×75mm×100mm，實(shí)現(xiàn)了小型化，適合應(yīng)用在微納衛(wèi)星光學(xué)遙感探測(cè)中，獲取全球電離層高時(shí)空分辨率總電子含量分布，為空間環(huán)境、電離層物理研究，導(dǎo)航、短波通信服務(wù)提供數(shù)據(jù)。

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