“風(fēng)云三號”D星電離層光度計

付利平，彭如意

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心；2.天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室；3.中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室：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都會受到電離層環(huán)境變化的影響，因此，發(fā)展電離層觀測技術(shù)以對電離層環(huán)境信息進行有效獲取，具有重要意義和廣泛應(yīng)用價值。

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

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

1 觀測目標及觀測原理

1.1 觀測目標

電離層光度計的主要目標是通過對電離層高度氧原子135.6 nm（OI 135.6 nm）夜間/日間遠紫外氣輝輻射及日間氮氣分子LBH帶（N2LBH 帶）（140～180 nm）輻射強度的觀測，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，參見表1。

表1 電離層光度計觀測目標Table 1 Detection targets of IPM

在電離層中，OI 135.6 nm 氣輝輻射強度相對較強且具有光學(xué)薄的特性，利用該譜段對電離層物理信息進行觀測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）是電離層中所有遠紫外輻射中最強的分子輻射，由光電子與氮氣分子碰撞激發(fā)而產(chǎn)生[5]。

1.2 夜氣輝觀測原理

利用Chapman 函數(shù)[6]來表示OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與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 遠紫外夜氣輝輻射強度存在線性關(guān)系，因此可以通過測得OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度，反演得到NmF2和TEC。

圖1[8]給出模式計算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與電離層NmF2平方的關(guān)系；圖2[8]給出COSMIC/TIP實測的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與電離層NmF2平方的關(guān)系。

圖1 模式計算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與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 實測的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與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]給出模式計算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與TEC平方的關(guān)系。圖4[8]給出TIMED/GUVI實測的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與TEC 平方的關(guān)系?？梢钥闯?，正如式(2)所指出的，OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與TEC的平方具有很好的線性關(guān)系。

圖3 模式計算的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與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實測的OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度與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 日氣輝觀測原理

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

模式計算指出，OI 135.6 nm 日氣輝輻射強度與N2LBH帶日氣輝輻射強度之比與太陽活動的相關(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 日氣輝輻射強度與N2LBH 帶日氣輝輻射強度之比關(guān)系的模式計算結(jié)果。利用這一結(jié)果和OI 135.6 nm 日氣輝輻射強度與N2LBH 帶日氣輝輻射強度之比的測量數(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 日氣輝輻射強度與N2LBH帶日氣輝輻射強度之比的關(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

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

電離層光度計由探測頭部和電控箱兩部分組成[11]，其中探測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、電機系統(tǒng)相關(guān)電路；電控箱主要包括計數(shù)、控制、通信用FPGA 系統(tǒng)和供電電源。

電離層光度計的工作原理如圖6所示[11]：一束多光子流信號經(jīng)過聚光系統(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，光信號最終到達PMT。濾光片輪上裝載帶通透射式濾光片，依次分別對135.6 nm、N2LBH 帶波段進行觀測，同時設(shè)置夜/日間雜散光通道，對帶外長波雜散光進行觀測；FPGA 根據(jù)前端位置傳感器信息給出濾光片輪馬達的驅(qū)動脈沖，以設(shè)置濾光片位置。PMT 接收到光信號后，會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)過聚焦電極進入倍增極進行信號放大，最后在PMT 的陽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，除了光信號轉(zhuǎn)換形成的之外還包括噪聲電子流脈沖，經(jīng)負載電路轉(zhuǎn)換成幅值高低不同的電壓脈沖后輸入到前置放大器；前置放大器對電壓脈沖進行放大后輸入到脈沖高度甄別器，以甄別光電信號脈沖和噪聲脈沖——甄別器中鑒定閾值的設(shè)定依據(jù)是PMT輸出信號的脈沖高度分布（pulse height distribution, PHD）。FPGA 計數(shù)器對甄別器鑒定出的光信號脈沖（TTL電平）進行計數(shù)，即獲得光信號的強度。

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

電離層光度計設(shè)計了夜間和日間2種工作模式，工作模式的切換由模式切換電機來完成：

1）夜間工作模式是光度計的主工作模式，通過測量OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度，利用自研反演算法得到實測的夜間TEC與NmF2；

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

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

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

3 在軌觀測結(jié)果

“風(fēng)云三號”D星電離層光度計于2017年11月27日開機，經(jīng)過6個月在軌測試后正式交付使用，至今已在軌運行3年多，工作狀態(tài)優(yōu)良，成功實現(xiàn)了對電離層的夜間/日間連續(xù)觀測，其觀測數(shù)據(jù)已在國家衛(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，并開放下載使用。本文給出該電離層光度計的初步觀測結(jié)果，更詳細的觀測結(jié)果可以參考文獻[12-13]，在軌實測電子密度結(jié)果參見文獻[12]的圖8，在軌實測電子密度與地面電離層垂直測高儀對比的結(jié)果可以參考文獻[12]的圖9。關(guān)于“風(fēng)云三號”D星電離層光度計的TEC 實測結(jié)果，目前沒有合適的參比對象，驗證工作仍在繼續(xù)進行。

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

圖8 電離層光度計于春分點的OI 135.6 nm 夜氣輝觀測結(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是電離層光度計于2018年8月25—30日期間利用夜間工作模式監(jiān)測到的夜氣輝輻射強度對磁暴事件的響應(yīng)結(jié)果。此次磁暴開始于8月25日，并于26日出現(xiàn)Dst 最小值（-175 nT），而此時對應(yīng)電離層OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度有1個突增，表明電離層光度計能對磁暴引起的夜間電離層擾動進行有效觀測，其觀測數(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”D星電離層光度計于2018 年8 月25—30日期間利用日間工作模式監(jiān)測到的磁暴引起的電離層O/N2變化，從圖中可見，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)并達到極值情況，其中北半球的O/N2下降了60%；重新恢復(fù)過程持續(xù)4天。這一觀測結(jié)果表明，電離層光度計能對磁暴引起的日間電離層O/N2變化進行有效的全天候觀測。

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

圖10 電離層光度計監(jiān)測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

電離層光度計（IPM）搭載于“風(fēng)云三號”D衛(wèi)星發(fā)射成功并開機以來，利用我國自主開發(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，獲得了我國首幅電離層氧氮比圖。相比較而言，國際上的COSMIC/TIP夜間觀測受城市燈光、云塵散射月光的影響，日間觀測受雜散光的影響嚴重，而“風(fēng)云三號”D星電離層光度計能有效克服這些不利因素，實現(xiàn)全天候觀測，尤其是夜間觀測靈敏度較高，在軌3年多期間運行狀態(tài)優(yōu)良，觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)得到國內(nèi)外多家研究機構(gòu)的使用和認可。