中性原子成像探测的物理设计与仿真

研究了磁层-电离层-热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)探测方案的原理设计和模拟仿真. 以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真. 仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程.     

磁暴期间环电流离子中性原子成像的模拟与观测比较研究

采用已经建立的环电流离子解析模型,结合Chamberlain地冕中性层模型,研究了2004年11月一次大磁暴期间的环电流区域中性原子(ENA)图像.结果表明,模拟的ENA图像与TC-2卫星搭载的中性原子成像仪(NUAUD)的观测图像在方位角或地方时分布、高度或纬度分布和能谱分布方面存在一定的差异.如果依据磁暴发展的不同阶段来选择环电流离子模型的方位角不对称因子和通量最大方向的方位角,增大地冕中性层在低高度区域的密度或者考虑氢(H)以外的其他中性成分,改进注入边界处的离子能谱分布函数,且考虑不同种类环电流离子的比例随磁暴发展可能发生的变化,该模型有望产生更符合观测的模拟ENA图像.     

日球层内外能量中性原子的探测

能量中性原子(Energetic Neutral Atoms, ENA, 简称能原子)是指在日球层内外空间, 拥有>0.1keV动能的原子.在此空间领域并没有温度>106K的中性气体, 但却充满动能>0.1keV的正离子.因此能原子A应该是A+离子与原地稀薄气体B原子或分子交换电荷所产生的, 即A++B→A+B+. 电荷交换涉及极小的动能变化, 新生的能原子A和离子B+基本上各自保持原有动能. 离子B+随即被当地磁场俘获, 能原子A则脱离磁场约束并携带其原属离子群的成分和能量信息而直线运动, 成为遥测空间等离子体的有效媒介. 美国人造卫星 IBEX (Interstellar Boundary Explorer) 直接探测得到来自日球层以外星际空间的能原子, 大幅延伸了利用能原子遥测空间等离子体的领域. 本文据此论述了空间能原子的发现, 综述了探测空间能原子的基本概念与实例、取得的主要成果、仪器设计和研制进展以及未来空间利用能原子遥测的发展趋势.      

中性原子成像仪的定标测试

中性原子成像仪（NAIS-H）获取的高时空分辨率图像可为地球空间磁暴和亚暴过程的各类机制研究提供全景式的空间粒子分布数据,为磁层与电离层耦合、磁层能量耗散等MIT（磁层elax-elax电离层elax-elax热层耦合小卫星星座探测计划）科学研究任务提供重要的数据支撑.探测器的标定是研制过程的一个重要技术环节,是日后空间探测数据分析和反演基本依据.本文利用模拟信号源对中性原子成像仪原理样机的前端电子学系统进行了能谱定标,并利用电子加速器对标定的能谱进行了辐射测试验证.     

光学遥感成像系统调制传递函数补偿技术

在分析逆滤波和维纳滤波的基础上,针对CBERS卫星成像系统特性,对光学遥感成像系统调制传递函数补偿(MTFC)技术进行了研究和改进。从MTFC曲线形状角度,提出较大幅度提高中频而适当提高高频信息的MTFC补偿曲线优化设计思想,在增强图像清晰度的同时,有效抑制了噪声。文章以CBERS-02B卫星高分辨率相机(HR)成像系统为例,试验结果表明:MTFC能够显著提高图像品质,同时也会引入一定的噪声,最后对MTFC的适用性给出了建议。     

可变编码调制在遥感卫星中的应用效能研究

随着遥感卫星观测数据量的日益增加,卫星数据传输能力已成为制约遥感卫星使用效能的瓶颈因素。为充分利用近地遥感卫星数据传输的链路资源,采用可变编码调制（VCM）技术,通过对星地数传信道条件的动态评估,在保证链路传输误码率和链路余量的前提下,自适应地进行当前信道条件下的最优编码调制方式切换,充分利用系统链路余量,提高卫星星地数据传输效能。利用该方法,对VCM数传链路效能进行仿真分析,与相同符号速率的固定编码调制（CCM）体制相比,VCM传输效能平均提升42.1%,可为遥感卫星的数传通道设计提供借鉴。     

嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征

与地球不同,月球暴露在太阳风中。太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子（Energetic Neutral Atom, ENA）的形式被月表散射。另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障。然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓。嫦娥四号任务搭载的中性原子探测仪首次在月面就位测量ENA,为研究月面和太阳风相互作用提供了新的视角。本文综述了嫦娥四号的ENA探测,重点介绍了一些不同于以往遥感观测的新现象,包括月面ENA反射率较高,ENA通量向低能段聚集,以及除了氢ENA还有其他重成分ENA等。分析上游太阳风观测数据发现,月面对太阳风的作用主要体现在105~523 eV能量段,且在磁异常下游时ENA通量整体偏低。利用全球Hall MHD数值模拟,证明了微磁层是造成ENA通量降低的原因。同时,还发现月球微磁层的形成与太阳风动压以及离子惯性长度有关,微磁层内的静电场使得太阳风减速和偏转,对应的电势差为50~260 V。

     

基于DVB-S2的遥感卫星自适应编码调制分析与仿真

针对传统遥感卫星数据传输中存在的资源浪费问题,提出了自适应数据传输的概念;重点介绍了第二代数字卫星电视广播标准(DVB-S2)中的自适应编码调制技术(ACM);在此基础上对自适应编码调制技术在遥感卫星数据传输中的应用做了详细分析,通过链路计算与信噪比估计两种方法得出自适应系统与非自适应系统相比在数据传输中性能提升很大,其中固定降雨备余量情况下通过链路计算得出自适应系统传输的数据量是非自适应系统的1.66倍,而基于动态信道模型的信噪比估计方法使得系统性能提升更加显著,传输的数据量是非自适应系统的8.14倍;最后对影响ACM性能的因素进行了分析,仿真结果表明信噪比估计误差和延时对系统性能影响很大,移位门限技术可以有效的降低信噪比估计误差对系统性能的影响,而延时则需要对信道状态的预测来减小其影响。     

Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星的星地数据传输能力提升提出了迫切需求,导致X频段星地数传通道压力急剧增加,而Ka频段可用带宽是X频段的4倍,理论上可大幅提升传输能力。当前低轨遥感卫星的星地数据传输通常采用固定编码调制（CCM）和可变编码调制（VCM）,均未利用地面站仰角增大时大气衰减减小所带来的信道条件改善,对链路资源造成浪费。针对此问题,对指定地面站和链路可用度,综合考虑自由空间损耗和大气衰减随接收仰角增加而同时减小的特性,提出基于DVB S2标准的Ka频段星上VCM系统实现方案,给出传输效能评估标准,并对降雨特性不同的喀什站、北京站、三亚站CCM,VCM的Ka频段传输效能进行了对比仿真分析,以寻找出适合不同站点的星地数传方案。仿真结果表明：干旱少雨的喀什站更适合采用CCM,且链路可用度高达99.82%;雨量中等的北京站可根据用户使用需求灵活选择CCM或VCM;而降雨丰富的三亚站更适合采用VCM,不仅可将传输效能提升8.37%,还可将链路可用度提升11.23%。     

编码孔径中红外光谱成像系统的光谱重构算法

针对一款基于双DMD的光谱维编码中波红外光谱成像系统的应用需求,在经典的Hadamard变换完备编码理论基础上,提出了一种具有最大信噪比增益的编码矩阵。结合基于双DMD的光谱维编码中波红外光谱成像系统的光路结构和工作原理,探讨了光谱维DMD所加载的编码模板的设计方法。建立了区块化光谱重构算法的数学模型,并进行了实验验证。实验结果表明,原理样机在具有良好的光谱成像能力的基础上,能够实现较高实时性的凝视成像,其在低光谱分辨率模式下光谱数据立方体帧频能够达到22.35帧/s,验证了区块化光谱重构算法的有效性。     

太阳极紫外多波段成像仪

在目前仪器特点和性能的基础上, 结合中国现有卫星特点和技术基础, 提出了一种新型太阳极紫外多波段成像仪, 采用小型化设计, 利用一台仪器实现对日冕和色球层4个不同波段的高分辨率成像, 不仅能有效利用卫星资源, 提高空间探测水平, 还能实现对日冕和色球的同时观测, 推动空间天气研究, 提高空间天气预报水平.     

多谱段全日面极紫外成像仪

在极紫外波段对太阳进行成像观测是研究太阳活动、日冕中等离子体物理特性的重要手段.传统极紫外成像仪或光谱仪无法同时实现高光谱分辨率和大视场的太阳成像.本文设计了一种新型太阳极紫外多谱段成像系统,采用无狭缝光栅分光方式实现了高光谱分辨率和空间分辨率的全日面成像,成像视场可达47',光谱分辨率每像素2×10^-3 nm,空间分辨率每像素1.4',全日面时间分辨率优于60s.通过分析谱线的全日面成像图和系统响应,表明成像仪能大范围的观测太阳活动形态演化,为太阳物理研究和空间天气预报提供更完整的观测数据.     

基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标

三轴稳定的地球静止轨道卫星在轨运行期间温度会有周期性变化.其上装载的远紫外电离层成像仪与卫星之间的热应力变化造成机械传递,导致仪器指向与装星时的初始位置发生偏差.恒星在惯性坐标系中的位置保持不变,可以将其作为电离层成像仪在轨几何定标的定标源.本文建立了基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标模型,通过拍摄所筛选恒星图像,得出仪器在轨指向相对于初始值的偏离程度,从而提高电离层成像仪的成像几何精度.通过模拟试验,验证了运用此技术进行在轨几何定标的可行性.研究结果可为电离层成像仪常态化自动在轨几何定标奠定基础.     

星载辐射计扫描镜太阳辐射热-结构建模与仿真

三轴稳定卫星平台搭载的光学有效载荷都存在午夜太阳辐射干扰问题,由此产生的热变形效应对光学系统的成像品质影响显著。采用复杂外热流近似建模技术,以及多软件耦合有限元仿真方法,以FY-4卫星的扫描辐射计为应用背景,研究了昼夜太阳辐射对星载辐射计扫描镜产生的热效应,并对不同热设计条件下的工况进行了对比分析。分析结果显示：扫描镜侧面及背面的热控涂层选取对其热变形有重要影响,但是仅仅通过热设计解决温度波动和热变形的矛盾是不够的,需要通过改进扫描镜的材料和优化光机结构加以改善。     

太阳高能粒子事件上升时间统计研究

选取1997-2006年共66个较大的缓变型太阳高能粒子(SEP)事件, 分析了不同条件下太阳高能粒子通量廓线上升时间与源区日面经向分布之间的相关关系, 研究了日冕物质抛射(CME)和耀斑在SEP上升阶段的作用特点.统计结果表明,大SEP事件的源区主要分布在太阳西半球, 特别是磁足点东西两侧45°范围内; 在高速太阳风条件下, 低能通道的通量上升时间与日面相对经度有较好的相关性,即离磁足点越远, 上升时间越长,而高能通道相关性则不明显; 全晕状CME产生的SEP事件对应的上升时间与源区位置没有明显的相关性, 而部分晕状CME伴随的SEP事件则与二次拟合曲线符合很好.分析表明,在缓变型SEP事件的通量上升阶段, 耀斑加速过程起着重要作用,这在部分晕状CME伴随的SEP事件中尤为显著.     

缓变型太阳高能粒子事件特征时间及其经向分布

利用SOHO,STEREO高能粒子观测数据,对2011-2014年30个通量短时间内显著增强的缓变型太阳高能粒子（SEP）事件的两个特征时间（局地爆发时间,起始释放时间）及其经向分布进行统计分析.研究结果显示,多颗卫星同时观测到的SEP事件伴随的日冕物质抛射（CME）角宽明显较一般事件大,且基本都为Halo CME;不同卫星观测到的粒子通量局地增强时间差与卫星位置经度差明显线性正相关且东西不对称;局地爆发时间和起始释放时间相对于耀斑时间的延迟与卫星相对经度正相关;卫星所有能量通道的两个特征时间极差与卫星相对经度呈现较好的正相关,这表明不同能量SEP释放的时间跨度具有明显经度差异;高低能释放时间差与CME速度正相关.这些结论表明,SEP事件的两个特征时间具有明显的经向依赖性,并都与CME速度相关.     

两个临近脉冲型太阳能量电子事件的观测与拟合

WIND飞船在2010年11月15日观测到两个临近的脉冲型太阳能量电子事件, 这两个事件在1AU处呈现出不同类型的通量-时间曲线. 事件一的通量表现出快速上升及快速下降的特性; 事件二则表现为缓慢上升, 更缓慢下降, 事件二的持续时间是事件一的5～17倍. 以往的解释认为事 件二中的电子在行星际受到了更强的散射. 本文引入等腰三角形的释放函数并 求解电报方程, 利用得到的解对1AU处的观测进行拟合. 根据最佳拟合结果 反推两事件在太阳上的释放函数和在行星际传播的平均自由程, 发现造成两事 件在1AU处能谱和通量-时间曲线形状不同的原因是太阳上电子 加速过程的不同而非行星际散射. 结合SOHO卫星的白光观测, 发现两事件可能 与一个CME (日冕物质抛射)相关, 并进一步推测了这两个太阳电子事件可能 的加速图像.     

电离层周日变化对解算GPS硬件延迟稳定性的影响

针对电离层周日变化特征分析了其可能对SCORE方法估算的硬件延迟稳定性的影响. 利用BJFS以及XIAM台站的GPS观测数据, 解算了位于太阳活动高年(2001年)和太阳活动低年(2009年)的卫星硬件延迟并分析了估算的硬件延迟的稳定性. 研究发现, 电离层周日变化对估算的硬件延迟稳定性具有一定影响, 但是利用不同台站所得到的卫星硬件延迟稳定性在昼夜不同时间上的解算结果存在一定差异. 电离层周日变化对利用 BJFS台站数据解算的硬件延迟稳定性日夜差异较为明显, 在太阳活动高年利用XIAM 台站数据解算的硬件延迟日夜稳定性差异不很明显, 由于XIAM台站处于电离层赤道异常峰附近, 夜间电离层变化很大, 因此对比中纬度地区, 电离层周日变化对赤道异常峰附近地区硬件延迟稳定性解算结果的影响相对较小, 但在太阳活动低年, 其影响仍较为显著.