天基電離層氣輝成像仿真分析研究

李 政,涂 翠*,吳小成,胡 雄

1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3.中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

引 言

電離層環(huán)境是日地空間環(huán)境的重要組成部分，電離層氣輝是分布于全球全時(shí)段的信號(hào)源，通過(guò)天基成像儀對(duì)電離層環(huán)境中的氣輝進(jìn)行觀測(cè)，能夠反映電離層特性如電子總含量、重力波和等離子體泡分布等，是有效的電離層探測(cè)方式[1-2]。天基觀測(cè)的特點(diǎn)決定了它具有全球范圍觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，且收到的信號(hào)幾乎不被地球大氣吸收。

國(guó)外對(duì)電離層氣輝的天基觀測(cè)方式早已開展，如2002年搭載于TIMED衛(wèi)星上的GUVI通過(guò)對(duì)電離層135.6 nm臨邊單光譜輻射的探測(cè)反演夜間電子濃度剖面[3]。2004年Formosat-2衛(wèi)星上的ISUAL成像儀為研究F層電離層的物理過(guò)程，首次對(duì)630 nm氣輝進(jìn)行臨邊成像觀測(cè)[4]。2012年在國(guó)際空間站上實(shí)施的ISS-IMAP任務(wù)利用兩個(gè)獨(dú)立的光譜儀VISI和EUVI，分別用來(lái)觀測(cè)可見近紅外氣輝和極紫外氣輝[5]，獲得的數(shù)據(jù)用來(lái)研究等離子體泡等電離層擾動(dòng)現(xiàn)象。我國(guó)對(duì)電離層氣輝探測(cè)也進(jìn)行了研究，搭載于FY-3(04)衛(wèi)星上的電離層光度計(jì)是我國(guó)第一臺(tái)天基電離層光學(xué)遙感載荷，該光度計(jì)通過(guò)對(duì)電離層135.6 nm和N2LBH帶輻射強(qiáng)度的探測(cè)，獲得了星下點(diǎn)電離層電子密度TEC、NmF2以及氧氮比等信息[6]。目前國(guó)外天基氣輝觀測(cè)多使用光譜儀，光譜儀設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高昂，而國(guó)內(nèi)天基電離層光度計(jì)難以獲得空間二維信息。開展天基氣輝成像儀的研究，實(shí)現(xiàn)電離層的二維成像觀測(cè)，將為電離層探測(cè)研究提供更全面的資料，具有重大科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。電離層氣輝有135.6和630 nm兩個(gè)主要觀測(cè)波段，其中630 nm OI氣輝是中緯度夜間最強(qiáng)的可見光氣輝波段之一，該波段輻射強(qiáng)度變化與電離層F2層高度的電子密度和中性成分變化密切相關(guān)，選擇對(duì)該波段氣輝進(jìn)行分析，并給出了結(jié)合成像儀和軌道參數(shù)的氣輝天底成像仿真，仿真結(jié)果有利于推動(dòng)天基成像儀的設(shè)計(jì)研制和參數(shù)優(yōu)化，有利于豐富和擴(kuò)展電離層探測(cè)手段。

1 天基電離層氣輝成像原理

在衛(wèi)星上開展電離層氣輝成像觀測(cè)時(shí)，如圖1所示，成像儀在氣輝距離H處上方以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)，并以視場(chǎng)角θ對(duì)幅寬為w的氣輝進(jìn)行掃描成像，單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的氣輝水平寬度為水平分辨率a，成像儀光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部帶有濾光片，只讓特定波段的光通過(guò)以濾除雜光。氣輝信號(hào)(光子數(shù))通過(guò)鏡頭聚焦于焦平面上的CCD(charge-coupled device)，CCD將光子數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而記錄氣輝的二維信息。由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，在衛(wèi)星上開展對(duì)地成像觀測(cè)，必然會(huì)引起成像模糊，降低成像分辨率。只有盡可能縮短曝光時(shí)間，才能提高成像分辨率。但縮短曝光時(shí)間，又會(huì)導(dǎo)致相機(jī)收集到的信號(hào)強(qiáng)度減弱，降低信噪比。為解決這一難題，需采用時(shí)間延時(shí)積分成像方式TDI(time delay and integration)，該成像方式可以極大提高信噪比。

圖1 天基氣輝成像儀成像示意圖Fig.1 Imaging diagram of space borne airglow imager

根據(jù)上述原理，開展電離層氣輝成像儀成像仿真，需進(jìn)行以下分析：(1)計(jì)算電離層氣輝輻射強(qiáng)度；(2)分析成像儀光學(xué)系統(tǒng)的信號(hào)收集能力；(3)分析成像儀的電子學(xué)性能。綜合以上分析，給出電離層氣輝成像儀的設(shè)備參數(shù)優(yōu)化和性能評(píng)估。

2 氣輝輻射強(qiáng)度仿真分析

2.1 氣輝輻射強(qiáng)度計(jì)算理論

電離層中630 nm波段氣輝輻射是各向同性的，使用體輻射率(volume emission rate，V(h))來(lái)表示電離層中單位體積的氣輝輻射大小，單位為photons·cm-3·s-1。使用輻射強(qiáng)度(radiation intensity，I)表示單位面積的氣輝輻射大小，單位為Rayleigh[8]，1 Rayleigh=106photons·cm-2·s-1。衛(wèi)星對(duì)氣輝進(jìn)行天底觀測(cè)，觀測(cè)到的氣輝強(qiáng)度I是對(duì)體輻射率V(h)的垂直路徑積分效應(yīng)，氣輝強(qiáng)度I仍然具有各向同性性質(zhì)。以Rayleigh為單位表示，I可由式(1)得出，hSAT為衛(wèi)星海拔高度

(1)

對(duì)于氣輝體輻射率的計(jì)算，我們利用Vlasov等提出的體輻射率公式[9]，該公式綜合考慮了電離層分子離子的影響

(2)

式中括號(hào)代表括號(hào)內(nèi)分子離子的數(shù)密度。公式中涉及到的參數(shù)列于表1[9]。

表1 體輻射率公式參數(shù)數(shù)值Table 1 Parameters value

反應(yīng)系數(shù)k與速率系數(shù)α的計(jì)算涉及到中性物質(zhì)溫度Tn、電子溫度Te，體輻射率式(2)涉及到電子數(shù)密度ne、分子和離子數(shù)密度，這些參數(shù)會(huì)隨時(shí)間和空間不斷變化。利用國(guó)際電離層經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型IRI2016計(jì)算得到兩種溫度、電子、氮離子、氧離子和氧原子離子數(shù)密度，利用大氣模型NRLMSISE-00計(jì)算得到氧氣、氮?dú)夂脱踉訑?shù)密度。為直觀顯示使用上述方法計(jì)算出的氣輝輻射特性，驗(yàn)證模型計(jì)算方法的正確性，計(jì)算了典型氣輝體輻射率隨高度的廓線(太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年和活動(dòng)低年2018年3月21日12:00 UT，180°E，0°N)，如圖2所示，縱坐標(biāo)為海拔高度h，橫坐標(biāo)為體輻射率V(h)。不同年份的氣輝體輻射率均在海拔250 km附近達(dá)到最大值，且體輻射率大小與太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，符合預(yù)期。

圖2 典型630 nm氣輝體輻射率廓線Fig.2 Typical 630 nm airglow volume emission rate profile

2.2 氣輝輻射強(qiáng)度仿真結(jié)果與分析

上述氣輝輻射模型符合夜間計(jì)算，并且天基電離層氣輝成像儀通常在夜間工作，因此本文只對(duì)夜半球氣輝情況進(jìn)行仿真。根據(jù)以上分析，使用IRI2016和NRLMSISE-00模型獲得太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年和活動(dòng)低年2018年的電離層參數(shù)，將全球按照經(jīng)度×緯度為5°×5°劃分網(wǎng)格，由于高緯度地區(qū)極光的影響更為復(fù)雜，這里僅計(jì)算全球緯度70°以下地區(qū)的氣輝強(qiáng)度分布。分別選擇太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年和活動(dòng)低年2018年中的四個(gè)具有特殊太陽(yáng)直射角的時(shí)間：春分、夏至、秋分和冬至日，分別去除日落后和日出前1.5 h內(nèi)仍受太陽(yáng)直射的曙暮氣輝數(shù)據(jù)，仿真在這四個(gè)時(shí)間氣輝所能達(dá)到的強(qiáng)度和分布，用以分析成像儀在各種情況下的成像效果。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，圖3和圖4對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)活動(dòng)高年夜半球平均輻射強(qiáng)度為115 Rayleigh，為太陽(yáng)活動(dòng)低年夜半球平均輻射強(qiáng)度50 Rayleigh的兩倍多。在春分和秋分日，赤道地區(qū)的氣輝輻射強(qiáng)度要大于中高緯度地區(qū)，最強(qiáng)可達(dá)530 Rayleigh。在冬至日，太陽(yáng)直射點(diǎn)在南半球，導(dǎo)致夜間氣輝強(qiáng)度南半球大于北半球。夏至日則相反，此時(shí)太陽(yáng)直射點(diǎn)在北半球，夜間氣輝強(qiáng)度北半球要大于南半球。仿真結(jié)果表明630 nm的氣輝輻射強(qiáng)度分布與太陽(yáng)直射點(diǎn)有著密不可分的關(guān)系。輻射強(qiáng)度仿真結(jié)果的大小和分布符合衛(wèi)星載荷GLO-1[12]和國(guó)際空間站IMAP任務(wù)[13]對(duì)630 nm氣輝的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。該仿真結(jié)果提供了氣輝強(qiáng)度的分布和極值情況，為成像儀指標(biāo)的設(shè)定提供理論依據(jù)。

圖3 太陽(yáng)活動(dòng)高年(上)和低年(下)的春分日(左)、夏至日(右)夜氣輝輻射強(qiáng)度分布(Rayleigh)Fig.3 Airglow intensity distribution of spring equinox and summer solstice with high and low solar activity (in Rayleigh)

圖4 太陽(yáng)活動(dòng)高年(上)和低年(下)的秋分日(左)、冬至日(右)夜氣輝輻射強(qiáng)度分布(Rayleigh)Fig.4 Airglow intensity distribution of autumnal equinox and winter solstice with high and low solar activity (in Rayleigh)

3 天基成像鏈路與仿真分析

3.1 天基成像仿真分析方法

3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)鏈路分析

對(duì)電離層氣輝進(jìn)行天底觀測(cè)時(shí)，氣輝信號(hào)成像于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，焦平面中心與CCD中心重合，如圖5所示，進(jìn)入CCD灰色區(qū)域的光子數(shù)即為有效光子數(shù)。設(shè)電離層氣輝成像儀光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為θ，立體角為Ω，立體角與視場(chǎng)角的轉(zhuǎn)換關(guān)系為式(3)

(3)

這樣，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的光子數(shù)Np與氣輝強(qiáng)度I、立體角Ω、入瞳直徑D和光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率τ的關(guān)系為

(4)

氣輝信號(hào)在焦平面所成像的圓面積為S0，長(zhǎng)條形CCD截取其中的灰色面積S作為積分區(qū)域，如圖5所示，CCD的寬為l，區(qū)域S半長(zhǎng)為d，所成像的像高即圓S0的半徑r為

圖5 焦平面成像示意圖Fig.5 Focal plane imaging diagram

(5)

通過(guò)r，l能夠求出d，從而進(jìn)一步求出S和S0的面積。根據(jù)CCD像元尺寸，計(jì)算得到S區(qū)域內(nèi)的像元個(gè)數(shù)n，則單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)像元收集的光子數(shù)為

(6)

3.1.2 光電轉(zhuǎn)換鏈路分析

電離層氣輝成像儀的光電轉(zhuǎn)換部分采取了TDI成像技術(shù)，其成像過(guò)程為：成像儀跟隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)天底氣輝進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)曝光成像。在t0時(shí)刻，氣輝在CCD的第一行成像，產(chǎn)生電荷信號(hào)。經(jīng)t1秒后，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，同一信號(hào)移至第二行成像，第二行再次對(duì)該信號(hào)進(jìn)行累積，同時(shí)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一行上產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到第二行，此時(shí)第二行像元就包含了t0和t1兩個(gè)時(shí)刻曝光產(chǎn)生的電荷，使得電荷量增加了一倍。以此類推，若CCD級(jí)數(shù)為M，則輸出信號(hào)將增至原來(lái)的M倍。設(shè)f為光學(xué)系統(tǒng)等效焦距，v為星下點(diǎn)速度，vp為圖像在焦平面上的運(yùn)動(dòng)速度，H為鏡頭與氣輝的距離[14]，由幾何光學(xué)成像關(guān)系得到vp=vf/H。設(shè)α為像元尺寸，則單個(gè)像元曝光時(shí)間為α/vp。CCD曝光時(shí)間為

(7)

式(7)表明曝光時(shí)間和級(jí)數(shù)M、像元尺寸α成正比，和焦距f成反比。考慮到CCD量子效率Q的影響，經(jīng)過(guò)曝光時(shí)間t累積，輸出像元中的電子數(shù)為

Ns=NpstQ

(8)

3.1.3 信噪比分析

成像儀的噪聲可分為輸入噪聲、讀出噪聲、像元區(qū)噪聲。輸入噪聲主要為光子噪聲Nnp，是入射光子數(shù)的平方根值，讀出噪聲Nr為CCD讀出電路引入噪聲。像元區(qū)噪聲主要為暗噪聲Nni，其等效電子數(shù)為暗電流電子數(shù)的平方根?？傇肼昇n和信噪比SNR分別為

(9)

(10)

3.1.4 氣輝觀測(cè)幅寬和分辨率

成像儀在進(jìn)行天底觀測(cè)時(shí)，氣輝幅寬w和單個(gè)像元對(duì)應(yīng)成像分辨率a分別為

(11)

(12)

3.2 典型成像儀設(shè)備參數(shù)觀測(cè)仿真

為分析成像儀的最終成像效果，選取某一典型參數(shù)進(jìn)行成像仿真。CCD芯片規(guī)格列于表2。軌道設(shè)計(jì)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)列于表3。

表2 CCD芯片規(guī)格參數(shù)Table 2 CCD Specifications

表3 天基成像儀參數(shù)Table 3 Parameters of the Imager

光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率τ為鏡頭透過(guò)率0.8與濾光片透過(guò)率0.65的乘積。為進(jìn)一步提高信噪比，我們采用了binning2×2技術(shù)使像元合并2×2輸出，級(jí)數(shù)M設(shè)定為128。根據(jù)式(7)得到該CCD的延時(shí)積分時(shí)間為17.75 s。根據(jù)式(11)和式(12)同時(shí)考慮binning2×2技術(shù)，得到CCD成像分辨率為128×250，氣輝水平分辨率1 km，氣輝掃描寬度w為245km。由3.1節(jié)的分析畫出圖6氣輝輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的成像儀觀測(cè)信噪比。在對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)高年夜半球平均115 Rayleigh輻射的成像可以實(shí)現(xiàn)信噪比16.2，太陽(yáng)活動(dòng)低年夜半球平均50 Rayleigh的輻射成像可實(shí)現(xiàn)信噪比為10。最大輻射強(qiáng)度可達(dá)530 Rayleigh，此時(shí)單個(gè)像元產(chǎn)生的1.8×103個(gè)光生電子低于CCD的峰值信號(hào)，不會(huì)使電子溢出。綜上所述，此成像儀的設(shè)計(jì)參數(shù)在多數(shù)情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的成像觀測(cè)。

圖6 氣輝輻射強(qiáng)度與成像信噪比的關(guān)系Fig.6 Relationship between airglow intensity and SNR

為實(shí)現(xiàn)該成像儀在太陽(yáng)活動(dòng)高年夜間的掃描成像仿真，設(shè)在2014年3月21日12:00 UT，衛(wèi)星從70°S，170°E上空700 km處開始向東進(jìn)行掃描觀測(cè)，衛(wèi)星軌道為圓形軌道，由于衛(wèi)星只在夜間觀測(cè)，因此在每個(gè)周期內(nèi)只仿真夜半球的成像，總計(jì)運(yùn)行14個(gè)周期。每個(gè)周期內(nèi)衛(wèi)星星下點(diǎn)的電離層數(shù)據(jù)時(shí)間，使用該衛(wèi)星在此周期經(jīng)過(guò)赤道上空的時(shí)間，從全球時(shí)來(lái)看跨度為2014年3月21日12:00 UT至3月22日9:20 UT。綜合氣輝幅寬和水平分辨率計(jì)算結(jié)果，并在成像信號(hào)中加入呈正態(tài)分布的讀出噪聲、呈泊松分布的光子噪聲與暗噪聲，正態(tài)分布數(shù)學(xué)期望設(shè)為mu=6，標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為sigma=3。使用表3的軌道參數(shù)和衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡計(jì)算分析方法[15]，獲得了衛(wèi)星在此時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行的掃描成像信號(hào)和信噪比仿真。

在此14個(gè)周期內(nèi)，較強(qiáng)的信號(hào)源主要集中在中緯和低緯地區(qū)，信噪比可以達(dá)到10以上。氣輝全球尺度結(jié)構(gòu)能夠被清晰觀測(cè)，如圖7中能夠觀察到電離層“赤道異常”而引起的氣輝雙峰結(jié)構(gòu)。

圖7 太陽(yáng)活動(dòng)高年成像儀成像信號(hào)(a，單位為電子數(shù))和信噪比(b)仿真Fig.7 The simulation of imaging signal (a)and SNR (b)for high solar activity

為分析該成像儀在太陽(yáng)活動(dòng)低年夜間的成像效果，將觀測(cè)時(shí)間設(shè)為從2018年3月21日12:00 UT開始，仿真結(jié)果顯示太陽(yáng)活動(dòng)低年時(shí)進(jìn)行的成像效果弱于在太陽(yáng)活動(dòng)高年時(shí)的成像效果，較強(qiáng)的信號(hào)源主要集中在低緯地區(qū)，因此只能對(duì)低緯地區(qū)的氣輝進(jìn)行探測(cè)，圖8能夠觀測(cè)到位于赤道附近的尺度結(jié)構(gòu)，比如氣輝強(qiáng)度峰值分布與地理赤道的偏離。

圖8 太陽(yáng)活動(dòng)低年成像儀成像信號(hào)(a，單位為電子數(shù))和信噪比(b)仿真Fig.8 The simulation imaging signal (a)and SNR (b)for low solar activity

4 結(jié) 論

系統(tǒng)地研究了電離層中由氧原子1D態(tài)至3P的輻射躍遷所產(chǎn)生630 nm氣輝輻射的計(jì)算和仿真方法，并且得到了太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年和太陽(yáng)活動(dòng)低年2018年不同時(shí)節(jié)的全球氣輝輻射強(qiáng)度分布，氣輝強(qiáng)度分布整體趨勢(shì)與理論預(yù)期相符。通過(guò)詳細(xì)分析，在太陽(yáng)活動(dòng)高年夜間，630 nm氣輝輻射強(qiáng)度平均值達(dá)到了115 Rayleigh，是太陽(yáng)活動(dòng)低年50 Rayleigh的兩倍多。赤道地區(qū)的氣輝輻射強(qiáng)度大于中高緯度地區(qū)。

本文完整地分析了電離層氣輝成像儀的整個(gè)成像鏈路和信噪比。以一個(gè)典型成像儀參數(shù)，首次給出了結(jié)合軌道參數(shù)的630 nm氣輝天底成像仿真，結(jié)果表明該成像儀在太陽(yáng)活動(dòng)高年能夠清晰觀測(cè)到電離層氣輝全球尺度結(jié)構(gòu)；在太陽(yáng)活動(dòng)低年能夠觀測(cè)到氣輝低緯地區(qū)尺度結(jié)構(gòu)。對(duì)于成像的分析，本文沒(méi)有考慮地面光污染的影響，為進(jìn)行更加完備的觀測(cè)仿真，推動(dòng)電離層氣輝成像儀參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，下一步的工作將進(jìn)一步分析地面光污染對(duì)氣輝成像造成的影響。