星载高层大气风场原位探测技术与测试分析

采用平板型碳纳米管冷阴极作为电子发射体,基于电子发射材料的性能与几何特征,设计了以直流电子枪为结构基础的均匀场离子源,在栅极和阳极间设计聚焦极,阳极与电离区之间增加双层屏蔽栅网形成电场,对离子和电子产生区进行有效分离,确保出射电子束的能量单一且方向一致,并结合具有较高速度分辨率的阻滞势速度分析器,研制了可获取高精度中性风速的星载高层大气风场原位探测仪(SSTNWI)。仿真计算和对实物的测试分析表明,风速测量误差在平均风速100 m/s时仅为10%左右,高于“通信/导航中断预报系统”卫星(C/NOFS)的轨道风传感器,中性风速测不准引起的轨道预报误差可下降到优于1.0%,未来有望应用于火星等行星和地球卫星的大气探测任务。

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2012-2018年80~100 km高度的风场数据,比较在地磁平静期(Kp≤2)和地磁扰动期(Kp≥4)的日平均风场数据,得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明,在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间,纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强,低热层东风增强,纬度较低地区倾向于东风增强。春季,地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异,在夏冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异,对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明,地磁活动对纬向风的影响可达9 m·s^(-1)左右,对经向风的影响可达5 m·s^(-1)左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达80 km。

大气层高层功能拦截器侧窗定向方位研究

大气层高层作战的动能拦截器多采用侧窗探测的结构布局,侧窗定向方位对其拦截效果有重要的影响,但定向方位的选择却受诸多因素制约。在一定理想化假设的基础上,研究了末段交战过程中视线转率的变化规律,从理论上分析了由侧窗定向产生的攻角对拦截结果的影响,得到了只考虑气动力影响下的最佳定向方位;然后综合考虑气动力、轨控系统、姿控系统的影响,给出了不同作战高度下侧窗定向方位的选择方法。数字仿真结果表明,此种方法能够满足侧窗探测的要求,且在大多数情况下只需一次定向即可完成拦截。

地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的定标研究

我们研制的地基气辉成像干涉仪(ground based airglow imaging interferometer,GBAⅡ)样机成功地探测了地球上空90—100 km的大气风速和温度.为了提高GBAⅡ的探测精度,本文研究GBAⅡ所拍摄的成像干涉条纹的定标:对干涉条纹中心位置定标、电荷耦合器(CCD)暗噪声和平场定标、整个光学系统衰减系数定标、步进步长定标、光程差随入射角变化量定标、仪器响应度定标和零风速相位定标等理论和实验进行了研究.利用最小二乘法对GBAⅡ拍摄的30幅成像干涉图的圆心坐标定标在CCD(123.3,121.1)像素位置;利用632.8 nm激光获得GBAⅡ所用CCD的平场定标系数矩阵,分别得到平场前后的干涉图并检测出CCD的噪声和坏点;利用GBAⅡ获得图像的边缘亮环相位与中心亮斑相位的差值对入射角10.24°时,光程差相对0°入射角时变化了0.356个条纹;拍摄200幅成像干涉图的实验离散点进行正弦拟合后的均方根标准偏差达90.34%,该完整干涉条纹的步进间隔为4.06 nm,对应步进相位为0.0094π;针对正演公式中GBAⅡ的系统衰减系数对所拍摄的原始干涉图利用IDL编程得到光学系统衰减系数的多项式,拟合的均方根标准偏差达99.98%;采用632.8 nm激光作光源,简化了GBAⅡ的响应度表达式,通过实验得其响应度为4.97×10^(-3)counts·(Rayleigh·s)^(-1);针对GBAⅡ室外观测,给出零风速定标的矩阵表达式后,对532.0 nm和632.8 nm激光的对应零风速相位分别为-9.2442°和-68.6353°.本文提供了多种定标方法,并逐一通过实验进行验证,为国内被动遥感探测高层大气风场提供了强有力的实验支持.

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式(天顶角为0°的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向)对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演.将2010年5月6-13日8天十个环(十个干涉环同时参与反演)的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7 nm,630.0 nm,892.0 nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7 m·s^(-1),5.5 m·s^(-1),7.7 m·s^(-1).此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析.研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高.而圆心偏差士2 pixel(五个环)和士1 pixel(十个环)及焦距变化(士10 mm)对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.

基于Fabry-Perot的中高层大气风速反演数据处理研究

中高层大气风速反演需要精确的确定法布里-帕罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)干涉条纹的圆心和半径.本文针对FPI非闭合式干涉环条纹,提出了新的条纹圆心和半径确定方法:首先对所得到的条纹强度分布进行噪声去除预处理:包括均值滤波和自适应滤波;然后初步确定圆心,以该圆心为中心作n条射线得到n条干涉环剖线,利用高斯函数拟合得到干涉环峰值位置,再利用所得峰值位置进行圆拟合得到新的圆心和半径;最后以新的圆心为初始圆心重复上述计算过程直到圆心坐标收敛.利用上述方法对FPI仿真数据进行处理,并用于中高层大气风速反演,得到风速值为96.9537m/s(对应实际风速值约100m/s)和7.528.2m/s(对应实际风速值约10m/s),将其与理论实际值进行比较,得到反演绝对误差分别为-2.977m/s和-2.465m/s,相对误差分别为-2.98%和-24.67%,表明上述方法满足中高层大气风速(一般为每秒几十米到几百米)的反演精度要求,初步论证了圆心和半径确定方法的可行性.

中高层大气探测技术的研究进展

探测技术的发展和探测仪器的研制是中高层大气研究的重要方面,利用单一的探测技术无法完成这个相当宽的高度范围大气状态参量的测量,需要采用多种探测手段综合得出这一区域的大气结构。本文结合国际上中高层大气探测技术的发展,主要从雷达的地基遥感,高层大气探测卫星的探测及无线电掩星技术,大气参数的气球、火箭、飞船探测方面回顾了我国近几年间的研究进展。

海口上空中高层大气强烈的突发钠层观测

海南激光雷达站(20°N, 110°E) 2011年11月2日观测到强烈的突发钠层(SSL).该SSL峰值密度达37087Cm^(-3),半峰全宽仅为0.9km.对该SSL发生前后的钠层峰值密度和高度特性进行分析.统计激光雷达2010年5月至2013年12月共计377天观测到的SSL事件222次,其中仅有1次SSL峰值密度超过30000cm^(-3).对比距离最近的海南儋州(19.5°N,109.1°E)测高仪和VHF雷达观测到的突发E层(Es)事件,分析事件的相关性.Es最低高度与SSL峰值高度差均在5 km以内,约有75%的Es与SSL时间差在±30 min之内.实验中使用continuum的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589 nm激光,能量为45mJ,使用直径为1000 mm的望远镜接收钠层的光子回波.

中高层大气研究的空间探测

中高层大气研究对于深入理解全球变化和日地关系十分重要,也为有关航天与临近空间飞行的环境保障提供基础。中高层大气研究的目的是要深入了解其中发生的主要过程及其耦合,并发展各种模式。在现代中高层大气研究中,地基、高空飞机、高空气球、火箭和空间观测提供了动力、热力和化学成分结构与变化的资料,其中空间观测起到至关重要的作用。将对用于中高层大气研究的卫星任务和传感器载荷进行综述,同时列举一些中高层大气空间观测的科学结果。

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250 km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s^(-1).

中高层大气行星波与惯性重力内波的非线性相互作用

在弱非线性理论基础上，将三维大气中行星波和惯性重力波从原始非弹性近似方程中分离出来，讨论了典型的2天行星波与惯性重力内波的非线性相互作用过程．从共振曲面和参量不稳定增长率来看，行星波倾向于与空间尺度较大的惯性重力波发生相互作用．利用潮汐波的等价重力波假设，讨论了2天行星波与半日潮及9．6h惯性重力波的相互作用，三波相互作用时能量守恒．非线性相互作用使2天波和潮汐波的波幅受到长期调制．

高层大气三维热力结构异常及其遥相关特征对江淮流域旱涝的影响

文中分析了江淮流域旱涝过程与南北半球经向波列遥相关特征,结果表明,前期赤道地区高层大气的三维热力结构异常与中国江淮流域夏季旱涝异常存在显著相关。进一步研究发现,江淮流域夏季旱、涝年与前期春季低纬高层大气热力结构呈显著的反位相特征,且两者垂直方向均呈跨越南北半球经向波列结构特征,该波列扰动源可追溯到南极冰盖强信号因子。采用EP通量诊断分析可进一步揭示出与江淮流域旱涝过程相关的经向波列传播及高层大气波射线折射特征。

高层大气环境对长波红外背景辐射特性的影响分析

高层大气长波红外背景辐射特性是目标识别和红外辐射特性测量的重要研究课题。根据NRLMSIS-00大气经验模型,分析了高层大气温度和气体浓度对红外辐射的影响。利用高层大气辐射传输模式SHARC,在6～15μm波段对不同观测位置和大气模式条件下的高层大气背景辐射进行了数值计算和理论分析。结果表明,高层大气长波红外辐射会随临边切线高度的增加而减弱,随倾斜观测天顶角的增加而增强,随太阳天顶角的增加而减弱。曙暮光和极光对高层大气长波红外辐射具有重要的增强作用,而且高层大气长波红外辐射存在纬度和季节变化特性。高层大气环境对长波红外背景辐射的影响分析结果可供空间目标探测和卫星红外遥感等工程参考。

我国中高层大气观测研究的新进展

中高层大气是与人类生存环境关系极为密切、又易受太阳活动影响的层次，它的研究在日地物理研究中占有特殊的地位．近年来，我国在中高层大气行星波、重力波、光化过程和太阳活动与人类活动影响等方面取得了可喜的进展，获得一系列重要成果；在观测方面，VHF雷达、钠荧光激光雷达、中间层大气毫米波探测和倾斜滤光片光度计等一批新型观测设备投入使用，增强了对中高层大气的探测能力.本文重点介绍了近年来我国在高平流层、中间层和低热层大气方面的主要研究情况．

星载加速仪数据在高层大气研究中的应用

地球高层大气是影响近地卫星运动的主要因素之一．自1957年前苏联发射第1颗人造卫星以来，人类一直开展高层大气的研究，建立了一些著名的经验大气模型，在卫星的轨道预报和定轨中发挥了重要作用．但是由于高层大气变化非常复杂，加上早期的资料精度有限，高层大气的一些基础问题尚未完全解决．

高层大气原子氧的半年周变

地球高层大气成分的长期变化受太阳黑子周、太阳活动程度和地磁活动程度等诸多因子所控制．本文利用国外有关高层大气成分的数据，分别讨论受上述控制因子影响的高层大气成分长期变化，讨论范围仅限原子氧半年周期变化．选用LDEF在轨飞行器1984年4月—1990年1月高度470km附近的长期资料进行统计分析，结果表明，高度470km附近原子氧在年平均太阳黑子数＜20、太阳活动程度相对低而平稳期间，半年周期的变化尤为明显，相对变幅约为40％—60％、井随平均太阳黑子数增加而增大．而年平均太阳黑子数峰值的1989年期间（＞120），半年变化的相对变幅可达87％左右．

南极冰盖表层雪内NO3^—离子与极光区中高层大气的物理过程

通过对″１９９０年国际横穿南极考察队″（ＩＴＡＥ）在沿途５８９６ｋｍ冰盖表层２５ｃｍ雪样内ＮＯ离子测试结果的进一步分析与讨论，认为南极冰盖表层雪内ＮＯ的密度与通量在极光印区域里高值，是极区沉降粒子和辐射在中高层大气中电离产生的ＮＯ，与垂直往下扩散，极地气旋，极地平流层云和极夜效应等综合作用之结果。

中高层红外光谱大气遥感研究进展

中高层大气环境探测对理解全球中高层大气结构、化学和能量循环至关重要,在临近空间光电工程中亦有重要应用.开展中高层大气红外光谱辐射信号的探测研究有助于理解其内部的物理化学机理,据此反演该层结的大气参数是中高层大气红外遥感的重要研究内容.根据中高层大气环境特性,对基于火箭和卫星的中高层大气红外光谱遥感探测进行了综述,列举了一些重要探测任务的主要科学结果,为我国的中高层大气红外遥感探测提供参考。

电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用

风是理解大气动力学行为、热力学性质和成分结构的一个关键参数,大气风场的探测已成为当今国际上的前沿科学和热门研究课题.高层大气(80～300 km)风场被动探测的基础理论是干涉成像技术和电磁波的多普勒效应.论文对气辉(极光)的形成、电磁波的多普勒效应和双光束干涉进行了解释;对通过探测目标气辉谱线的多普勒频移,获知大气风场的速度、温度和粒子辐射率的原理进行了论述;给出了由于频移量数值极小难以观测、进而将频移量的观测转换成对位相、干涉图观测的四强度探测理论.向读者展示了电磁学、光学的基本原理应用到当今高新科技中的巧妙与完美,启发对物理学基本知识应用和对科学家创新思维的联想和思考.

美国“高层大气研究卫星”陨落事件分析

美国航空航天局(NASA)发布消息称,已报废的"高层大气研究卫星"(UARS)在没有人为控制的情况下,于美国东部时间2011年9月23日坠入地球大气层。该卫星国际编号为1991-063B,已于2005年报废。