星載電離層探測遠紫外成像光譜儀關鍵技術研究

《星載電離層探測遠紫外成像光譜儀關鍵技術研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由於磊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：星載電離層探測遠紫外成像光譜儀關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：於磊
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

星載遠紫外成像光譜儀是電離層光學遙感的重要儀器之一。為突破遠紫外光學器件技術的國外封鎖和國內瓶頸，我國加大了電離層遙感的理論研究和技術創新。本項目主要對該光譜儀設計中的兩個關鍵技術開展研究。基於電離層物理模型(TIMEGCM等)和國外儀器觀測數據，模擬研究電離層遠紫外光譜輻射傳輸特性模型；結合電離層科學研究和天氣套用需求，提出儀器觀測依據和設計指標。利用串聯光柵系統在保持系統簡單性和靈敏度的同時提高光譜解析度的特性，綜合二次色散理論，像差理論，幾何光程微分理論和遺傳算法對基於該系統的光學設計方案進行最佳化，提出在115~180 nm波段光譜解析度優於1 nm，空間解析度優於1.5 mrad的大視場遠紫外成像光譜儀光學系統設計，解決簡單光學系統在高靈敏度下難以實現高性能設計的問題。該設計將具有國際先進指標水平和獨特的串聯光柵成像光學系統，並為未來儀器的物理樣機和工程化奠定關鍵技術基礎。

結題摘要

星載遠紫外成像光譜儀是電離層光學遙感的重要儀器，針對我國相關儀器系統設計與電離層空間物理結合較少，缺少遠紫外空間輻射傳輸模型和反演科學需求指導的現狀，以及受國內技術落後和國外技術封鎖而使得光學系統設計性能大大受限的問題，本項目開展了以下關鍵技術研究，完成了預定的研究內容，實現了相關研究目標。在國外先進載荷GUVI的觀測數據基礎之上，對電離層遠紫外波段觀測的主要成分在白晝和夜間的特徵光譜輻射光學模型進行了計算模擬，結合電離層物理模型正演統計分析獲取了115 - 180 nm波段的電離層平均光譜輻射強度分布，以及其隨地磁活動的變化特性，並總結了電離層遠紫外波段特徵輻射的多個特點。結合各特徵波長的輻射強度，在地面利用實驗室已有的各項標準設備，進行了模擬原理分析和輻射強度模擬實驗，獲取了地面的空間電離層遠紫外特徵光譜輻射的模擬結果，為遠紫外成像光譜儀提供了靈敏度和信噪比測試時的動態信號模擬能力。根據電離層中主要觀測粒子的探測需求和分布特徵，結合830km的太陽同步軌道，設計了臨邊結合天底觀測的探測模式，可實現50 - 500km高度部分側向臨邊和天底整個條帶的覆蓋觀測。結合計算分析得到的遠紫外光譜空間輻射模型，預估了儀器系統靈敏度，並結合遠紫外楔形陽極二維成像探測器性能參數，進行了130.4 nm，135.6 nm以及140 - 180 nm波段的儀器信噪比估算，為儀器系統設計奠定了基礎。綜合分析了遠紫外波段特殊性導致的成像光譜儀光學系統設計的特殊性，提出了使用離軸拋物鏡為望遠系統，準直鏡為離軸拋物鏡，平面光柵串聯凹面光柵為色散成像部分的反射式系統結構。對系統在寬譜段上進行像差校正的最優成像條件進行了分析計算，最終得到了在遠紫外波段焦距135 mm，空間解析度優於1 mrad，光譜解析度0.6 nm的遠紫外成像光譜儀光學系統設計，為將來的儀器研製奠定了重要的設計理論基礎。