付利平，彭如意

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心；2.天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100190）

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、衛(wèi)星通信、載人航天（包括空間站任務(wù)等）和許多地面人類活動(dòng)都會(huì)受到電離層環(huán)境變化的影響，因此，發(fā)展電離層觀測(cè)技術(shù)以對(duì)電離層環(huán)境信息進(jìn)行有效獲取，具有重要意義和廣泛應(yīng)用價(jià)值。

以天基方式對(duì)電離層進(jìn)行遠(yuǎn)紫外光學(xué)遙感觀測(cè)時(shí)，地表背景遠(yuǎn)紫外氣輝輻射會(huì)受到氧分子的充分吸收，使得地表大氣對(duì)觀測(cè)的影響可以忽略，因此天基方式具有觀測(cè)背景干凈的突出優(yōu)勢(shì)，還可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，是觀測(cè)電離層環(huán)境的重要方式之一。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外陸續(xù)有大量衛(wèi)星搭載了遠(yuǎn)紫外波段的載荷，包括成像儀、成像光譜儀、光度計(jì)等[1-3]，取得了諸多電離層環(huán)境觀測(cè)結(jié)果。

“風(fēng)云三號(hào)”D 星電離層光度計(jì)（ionosphere photometer,IPM）是我國(guó)首次搭載于天基平臺(tái)、利用遠(yuǎn)紫外波段對(duì)電離層進(jìn)行遙感觀測(cè)的新型載荷。該光度計(jì)具有夜間觀測(cè)靈敏度高的突出特點(diǎn)，同時(shí)具備空間分辨率高，體積、重量、功耗等資源占用少的優(yōu)勢(shì)；其配置有夜間和日間2種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層關(guān)鍵環(huán)境信息的全天候監(jiān)測(cè)。該光度計(jì)自2017年11月15日隨“風(fēng)云三號(hào)”D星成功發(fā)射入軌并開(kāi)機(jī)以來(lái)，展現(xiàn)出良好的功能、性能狀態(tài)，本文主要對(duì)其觀測(cè)目標(biāo)、觀測(cè)原理、系統(tǒng)組成和在軌觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行回顧及介紹。

1 觀測(cè)目標(biāo)及觀測(cè)原理

1.1 觀測(cè)目標(biāo)

電離層光度計(jì)的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)電離層高度氧原子135.6 nm（OI 135.6 nm）夜間/日間遠(yuǎn)紫外氣輝輻射及日間氮?dú)夥肿覮BH帶（N2LBH 帶）（140～180 nm）輻射強(qiáng)度的觀測(cè)，反演獲取夜間電子總含量（TEC）、F2層峰值電子密度（NmF2）、日間O/N2（密度比）等電離層環(huán)境參量，參見(jiàn)表1。

表1 電離層光度計(jì)觀測(cè)目標(biāo)Table 1 Detection targets of IPM

在電離層中，OI 135.6 nm 氣輝輻射強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)且具有光學(xué)薄的特性，利用該譜段對(duì)電離層物理信息進(jìn)行觀測(cè)能比較直接地反映電離層環(huán)境的變化，其反演算法相較鄰近的130.4 nm 譜線更簡(jiǎn)單。OI 135.6 nm 夜間氣輝輻射主要由夜間氧正離子與電子復(fù)合激發(fā)而產(chǎn)生；OI 135.6 nm 日間氣輝輻射主要由光電子與氧原子碰撞激發(fā)而產(chǎn)生[4]。N2LBH帶日輝輻射（127～240 nm）是電離層中所有遠(yuǎn)紫外輻射中最強(qiáng)的分子輻射，由光電子與氮?dú)夥肿优鲎布ぐl(fā)而產(chǎn)生[5]。

1.2 夜氣輝觀測(cè)原理

利用Chapman 函數(shù)[6]來(lái)表示OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與NmF2隨高度的分布關(guān)系，有

式中：IOI135.6為電離層OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度，Rayleigh；K1為與光化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)[7]；Hkm為電離層等離子體標(biāo)高，km。

電子總含量TEC與NmF2 隨高度的分布關(guān)系可表示為

式中K2為與光化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)[7]。

根據(jù)式(1)、式(2)可知，NmF2的平方、TEC的平方均與OI 135.6 nm 遠(yuǎn)紫外夜氣輝輻射強(qiáng)度存在線性關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)得OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度，反演得到NmF2和TEC。

圖1[8]給出模式計(jì)算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與電離層NmF2平方的關(guān)系；圖2[8]給出COSMIC/TIP實(shí)測(cè)的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與電離層NmF2平方的關(guān)系。

圖1 模式計(jì)算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與NmF2平方的關(guān)系Fig.1 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of NmF2 calculated by the model

圖2 COSMIC/TIP 實(shí)測(cè)的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與NmF2平方的關(guān)系Fig.2 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of NmF2 measured by COSMIC/TIP

可以看出，正如式(1)所指出的，OI 135.6 nm夜氣輝輻射強(qiáng)度與電離層NmF2的平方具有很好的線性關(guān)系。

圖3[9]給出模式計(jì)算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與TEC平方的關(guān)系。圖4[8]給出TIMED/GUVI實(shí)測(cè)的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與TEC 平方的關(guān)系。可以看出，正如式(2)所指出的，OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與TEC的平方具有很好的線性關(guān)系。

圖3 模式計(jì)算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與TEC平方的關(guān)系Fig.3 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of TECcalculated by the model

圖4 TIMED/GUVI實(shí)測(cè)的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度與TEC平方的關(guān)系Fig.4 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of TECmeasured by TIMED/GUVI

1.3 日氣輝觀測(cè)原理

電離層光度計(jì)的日間工作方式利用對(duì)OI 135.6 nm日氣輝、N2LBH 帶日氣輝輻射的測(cè)量，可獲得電離層高度的，其反演公式如下：

模式計(jì)算指出，OI 135.6 nm 日氣輝輻射強(qiáng)度與N2LBH帶日氣輝輻射強(qiáng)度之比與太陽(yáng)活動(dòng)的相關(guān)性比較小，而與電離層的O/N2存在較好的線性關(guān)系，且這一比例關(guān)系與大氣條件變化的相關(guān)性較小。圖5[10]給出O/N2和OI 135.6 nm 日氣輝輻射強(qiáng)度與N2LBH 帶日氣輝輻射強(qiáng)度之比關(guān)系的模式計(jì)算結(jié)果。利用這一結(jié)果和OI 135.6 nm 日氣輝輻射強(qiáng)度與N2LBH 帶日氣輝輻射強(qiáng)度之比的測(cè)量數(shù)據(jù)，即可反演出日間電離層的O/N2。

圖5 O/N2 和OI 135.6 nm 日氣輝輻射強(qiáng)度與N2LBH帶日氣輝輻射強(qiáng)度之比的關(guān)系Fig.5 Relationship between the O/N2 and the ratio of the daytime OI 135.6 nm intensity/N2LBH intensity

2 載荷結(jié)構(gòu)及工作原理

電離層光度計(jì)是小型化高靈敏度的光學(xué)遙感觀測(cè)儀器，其采用高聚光能力的離軸拋物面鏡并結(jié)合光子計(jì)數(shù)式光電倍增管（PMT），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層弱氣輝輻射的測(cè)量[11]。

電離層光度計(jì)由探測(cè)頭部和電控箱兩部分組成[11]，其中探測(cè)頭部主要包括聚光系統(tǒng)、濾光片系統(tǒng)、光電倍增管及其外圍配置電路、前置放大甄別電路、電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)電路；電控箱主要包括計(jì)數(shù)、控制、通信用FPGA 系統(tǒng)和供電電源。

電離層光度計(jì)的工作原理如圖6所示[11]：一束多光子流信號(hào)經(jīng)過(guò)聚光系統(tǒng)和濾光片輪后匯聚在BaF2晶體濾光片上，BaF2晶體濾光片對(duì)135.6 nm以下的短波雜散光有很好的截止作用，經(jīng)BaF2濾光后，光信號(hào)最終到達(dá)PMT。濾光片輪上裝載帶通透射式濾光片，依次分別對(duì)135.6 nm、N2LBH 帶波段進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)設(shè)置夜/日間雜散光通道，對(duì)帶外長(zhǎng)波雜散光進(jìn)行觀測(cè)；FPGA 根據(jù)前端位置傳感器信息給出濾光片輪馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)脈沖，以設(shè)置濾光片位置。PMT 接收到光信號(hào)后，會(huì)從其光陰極以一定概率（量子效率）發(fā)射光電子，光電子經(jīng)過(guò)聚焦電極進(jìn)入倍增極進(jìn)行信號(hào)放大，最后在PMT 的陽(yáng)極輸出一系列幅值高低不同的電子流脈沖；這些電子流脈沖中，除了光信號(hào)轉(zhuǎn)換形成的之外還包括噪聲電子流脈沖，經(jīng)負(fù)載電路轉(zhuǎn)換成幅值高低不同的電壓脈沖后輸入到前置放大器；前置放大器對(duì)電壓脈沖進(jìn)行放大后輸入到脈沖高度甄別器，以甄別光電信號(hào)脈沖和噪聲脈沖——甄別器中鑒定閾值的設(shè)定依據(jù)是PMT輸出信號(hào)的脈沖高度分布（pulse height distribution, PHD）。FPGA 計(jì)數(shù)器對(duì)甄別器鑒定出的光信號(hào)脈沖（TTL電平）進(jìn)行計(jì)數(shù)，即獲得光信號(hào)的強(qiáng)度。

圖6 電離層光度計(jì)工作原理Fig.6 Working principle of IPM

電離層光度計(jì)設(shè)計(jì)了夜間和日間2種工作模式，工作模式的切換由模式切換電機(jī)來(lái)完成：

1）夜間工作模式是光度計(jì)的主工作模式，通過(guò)測(cè)量OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度，利用自研反演算法得到實(shí)測(cè)的夜間TEC與NmF2；

2）日間模式主要對(duì)OI 135.6 nm 日氣輝輻射強(qiáng)度和N2LBH帶日氣輝輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，利用自研反演算法得到日間O/N2。

“風(fēng)云三號(hào)”D星電離層光度計(jì)日間光譜響應(yīng)特性曲線如圖7所示。

圖7 電離層光度計(jì)日間光譜響應(yīng)特性曲線Fig.7 Daytime spectral responseof IPM

3 在軌觀測(cè)結(jié)果

“風(fēng)云三號(hào)”D星電離層光度計(jì)于2017年11月27日開(kāi)機(jī)，經(jīng)過(guò)6個(gè)月在軌測(cè)試后正式交付使用，至今已在軌運(yùn)行3年多，工作狀態(tài)優(yōu)良，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電離層的夜間/日間連續(xù)觀測(cè)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)已在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的“風(fēng)云”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)在線發(fā)布，并開(kāi)放下載使用。本文給出該電離層光度計(jì)的初步觀測(cè)結(jié)果，更詳細(xì)的觀測(cè)結(jié)果可以參考文獻(xiàn)[12-13]，在軌實(shí)測(cè)電子密度結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]的圖8，在軌實(shí)測(cè)電子密度與地面電離層垂直測(cè)高儀對(duì)比的結(jié)果可以參考文獻(xiàn)[12]的圖9。關(guān)于“風(fēng)云三號(hào)”D星電離層光度計(jì)的TEC 實(shí)測(cè)結(jié)果，目前沒(méi)有合適的參比對(duì)象，驗(yàn)證工作仍在繼續(xù)進(jìn)行。

圖8是電離層光度計(jì)OI 135.6 nm 夜氣輝觀測(cè)結(jié)果，觀測(cè)時(shí)間是春分點(diǎn)附近（2018年3月20日—24日），從圖中可以清晰看到電離層光度計(jì)觀測(cè)到的電離層赤道異常結(jié)構(gòu)（EIA）。

圖8 電離層光度計(jì)于春分點(diǎn)的OI 135.6 nm 夜氣輝觀測(cè)結(jié)果Fig.8 Radiance maps of nighttime OI 135.6 nm measured by the IPM on spring equinox (2018-03-20 to 2018-03-24)

圖9是電離層光度計(jì)于2018年8月25—30日期間利用夜間工作模式監(jiān)測(cè)到的夜氣輝輻射強(qiáng)度對(duì)磁暴事件的響應(yīng)結(jié)果。此次磁暴開(kāi)始于8月25日，并于26日出現(xiàn)Dst 最小值（-175 nT），而此時(shí)對(duì)應(yīng)電離層OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強(qiáng)度有1個(gè)突增，表明電離層光度計(jì)能對(duì)磁暴引起的夜間電離層擾動(dòng)進(jìn)行有效觀測(cè)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于磁層-電離層耦合研究。

圖10是“風(fēng)云三號(hào)”D星電離層光度計(jì)于2018 年8 月25—30日期間利用日間工作模式監(jiān)測(cè)到的磁暴引起的電離層O/N2變化，從圖中可見(jiàn)，25日的電離層O/N2分布比較均勻，26日的南、北半球電離層O/N2分布均自高緯向低緯方向出現(xiàn)明顯的耗散結(jié)構(gòu)并達(dá)到極值情況，其中北半球的O/N2下降了60%；重新恢復(fù)過(guò)程持續(xù)4天。這一觀測(cè)結(jié)果表明，電離層光度計(jì)能對(duì)磁暴引起的日間電離層O/N2變化進(jìn)行有效的全天候觀測(cè)。

圖9 電離層光度計(jì)監(jiān)測(cè)到磁暴引起的電離層擾動(dòng)Fig.9 Ionospheric disturbances caused by geomagnetic storms detected by the IPM

圖10 電離層光度計(jì)監(jiān)測(cè)到磁暴引起的電離層O/N2變化Fig.10 O/N2 changescaused by geomagnetic storms detected by the IPM

4 結(jié)束語(yǔ)

電離層光度計(jì)（IPM）搭載于“風(fēng)云三號(hào)”D衛(wèi)星發(fā)射成功并開(kāi)機(jī)以來(lái)，利用我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的反演算法，得到了夜間電子總含量TEC、F2層峰值電子密度NmF2和日間氧氮比O/N2等電離層參量，獲得了我國(guó)首幅電離層氧氮比圖。相比較而言，國(guó)際上的COSMIC/TIP夜間觀測(cè)受城市燈光、云塵散射月光的影響，日間觀測(cè)受雜散光的影響嚴(yán)重，而“風(fēng)云三號(hào)”D星電離層光度計(jì)能有效克服這些不利因素，實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)，尤其是夜間觀測(cè)靈敏度較高，在軌3年多期間運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)的使用和認(rèn)可。