星载远紫外极光_气辉探测发展综述

第23卷 第5期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.52008年10月(页码:1474~1479)PRO GR ESS IN GEO PH YSICSOct. 2008星载远紫外极光/气辉探测发展综述王咏梅, 付利平, 王英鉴(中国科学院空间科学与应用研究中心,北京 100190)摘 要 地球热层和电离层是近地卫星运行的主要场所,也是空间天气对人类活动影响的重要区域.气辉和极光是高层大气中的重要发光现象,其辐射特性、特别是紫外波段的辐射特性,是高层大气和电离层物理化学过程信息的重要来源.本文详细分析了国外远紫外极光/气辉探测和相应探测器的发展里程,并结合我国相关研制技术和水平,提出了发展星载极光/气辉探测的基本考虑和建议.关键词 远紫外,空间天气,极光,气辉,探测器中图分类号 P352 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)05-1474-06Review of space -based FUV aurora/airglow observationsWANG Yong -mei, FU L-i ping, WANG Ying -jian(Ce nter f or S p ace Sc ienc e and Ap p lied Resear ch ,T he Ch ine se A cad emy of S cie nces ,B eij in g 100190)Abstract T he t her mospher e and ionospher e ar e t he primar y reg io ns of near space satellite in or bit,as well as the im -por tant area w her e space w eather affects human activit y so much.A ir glow and auro ra are impor tant o pt ical phenome -na.T heir r adiation,especially ult rav iolet radiatio n co ntains fundamental chemical and physical infor mat ion about up -per atmo sphere and iono sphere.In this paper ,the dev elo pment of far ultr avio let auror a /air glow measurement and two -dimensio n detector for F U V are rev iewed.T hen based o n our actual technical level,a pr oposal for developing our space -based aur or a/air glow measur ement is presented.Keywords far ultrav iolet,space w eather,aur or a,air g low ,detector收稿日期 2007-11-10; 修回日期 2007-12-20.基金项目 国家自然科学基金项目(40474051)资助.作者简介 王咏梅,女,1967年生,博士,从事空间物理和空间环境探测研究工作.(E -mail:wym @)0 引 言地球空间由中高层大气、电离层和磁层组成,由于太阳风、行星际粒子和地球磁场的共同作用,其间的中性大气成分、电离成分、带电粒子、高能质子和电子等发生着极其复杂的相互作用,构成了地球空间环境多时空变化的复杂体系.随着空间时代的来临,人类更加关注各种空间暴对人类空间活动及无线电通讯的影响.极光和气辉是地球空间重要的自然发光现象,极光由太阳风和磁尾带电粒子体进入近地空间和大气中的分子原子相互作用激发产生的,主要发生在高纬地区;而气辉是由太阳短波紫外辐射激发大气中的分子原子所致,在全球各地区均可观测到.极光和气辉的特性与太阳活动周期、地磁活动强度以及高层大气、电离层的状态密切相关,极光可作为与磁层相连的近地过程的监视器;而气辉的辐射特性、特别是远紫外波段的谱特性,是中间层、低热层、电离层物理化学过程信息的重要来源,由于远紫外辐射信息几乎不受地表及边界层大气复杂背景影响,已成为分析太阳活动-磁层-电离层-热层-中高层大气能量传输和转换、地球高层大气和电离层参量日常监测的重要手段[1~5];另外极光作为重要的地球辐射背景,对空间目标识别和监视也有着重要意义[6,7].远紫外极光/气辉空间探测和应用研究在国外早已进入成熟阶段,并为此建立了配套的可用于远紫外波段的大气紫外辐射传输模式[8,9],许多产品已直接参与到空间天气和空间环境预报的业务运行当中;在国内,极光/气辉空间探测尚处于初级阶段,理论研究工作也仅限于对一些地面探测数据的分析处理和电离层模型的建立工作[10,11].鉴于远紫外极光/气辉在空间科学研究和军事中的广泛应用前景,5期王咏梅,等:星载远紫外极光/气辉探测发展综述本文重点就国外星载极光/气辉探测和探测器发展进行综述,提出我国远紫外极光/气辉探测的发展思路,以推动我国在这方面的研究工作.1 极光/气辉的空间探测1.1 国际极光/气辉空间探测发展远紫外(FUV)极光/气辉的空间探测试验开始于20世纪60年代末期~1967年发射的OGO -4卫星上搭载了紫外气辉光谱仪(U AS),用于测量110~340nm 波段气辉的光谱辐射特性,但第一幅地球FU V 辐射完整图像是1972年Apollo 16搭载的Far U ltraviolet Camera Spectrogr aph 从月球上拍摄到的(图1),该仪器探测到了地冕、极光、气辉和赤道气辉带等[12].在1978年发射的DOD/S3-4卫星上的VUV 试验装置(Vacuum U ltraviolet Back -g round Satellite Ex periment)试验之后,正式拉开了空间远紫外极光/气辉探测的序幕.图1 1972年从月球上首次拍摄到的地球极光、气辉图像Fig.1 F irst F U V image o f the Ear th -taken fro mthe M oon by the A po llo 16crew就极光/气辉的卫星探测而言,可分为极光形态探测和极光/气辉电离层探测两种.极光形态探测主要关注极光卵区时空变化及其与太阳活动和磁暴的关系,主要运行在大椭圆轨道上;而极光/气辉电离层探测是全球空间天气系统的重要组成部分,它主要监测极光/气辉辐射强度和谱分布特性,用于研究相应的热层、电离层大气主要微量成分、电子密度、粒子浓度等空间环境参数,同时还可研究高纬能量粒子注入特性及中性大气成分对能量注入的响应特性,该类仪器适合搭载在大倾角、极轨圆轨道卫星上[13],高度通常为600~1000km.1.1.1 极光形态探测对极光形态的空间探测,主要代表仪器有1981年发射的DE -1卫星上搭载的SAI(T he Spin -ScanAur oral Imag er)[14,15],用于可见和FUV 波段的全球极光成像,在FU V 波段探测部分,采用牛顿望远镜+滤光片轮+光电倍增管式光度计,为提高量子效益、减小长波辐射影响,采用CsI 阴极、M gF 2窗材料的光电倍增管,图2为SAI 观测到的1983年6月13日亚暴期间一次极光动力学演变过程.图2 SAI 观测到的1983年6月13亚暴期间一次极光动力学演变过程F ig.2 T he dynamic pro cess of A uro ral Substor mobser ved by SAI o n 13June 19861986年2月22日瑞典发射的Viking 极轨卫星上搭载了紫外极光成像仪(U AI)[16](如图3所示).它由两个相机组成,可分别对134~180nm 和123.5~160nm 波段进行成像,前者采用BaF 2滤光片和CsI 阴极材料微通道板(M CP),后者采用CaF 2滤光片和KBr 阴极材料M CP.光学系统采用了逆Cas -segr ain 望远镜系统,探测器选用的是曲面MCP+光纤+CCD,仪器视场20b @25b ,空间分辨率20~30km,每20s 得到一幅全球极光全貌图.UAI 是一个独具创新的仪器,它的最大特点是仪器结构紧凑,并实现了对极光形态的可视化探测,特别适合于在高轨道卫星上的极光探测.在随后的20多年时间内,UAI 及相应的改进型远紫外极光成像仪在各种高高度、大椭圆轨道卫星上[17~19]为研究太阳-磁层相互关系提供了丰富的极光探测数据.另外,加拿大计划在2008年实施发射的RAVENS (Recur rent Auroral Visualization of Ex tended Northern Storms)卫1475地 球 物 理 学 进 展23卷星上安装与IM AGE 上FU V -WIC 和FU V -SI 相似的两台仪器,继续对全球极光形态的动态监测.图3 远紫外极光成像仪原理图Fig.3 Schematic illustr ation of a F U V A ur or al Imag er1.1.2 极光/气辉电离层探测在进行极光形态测量的同时,极光/气辉电离层探测工作也相继展开.1983年6月美国发射的H I -LAT 极轨卫星(830km )上,搭载了极光/电离层图仪AIM(A uro ral Ionospher ic M apper),尽管由于电子学原因,仪器在轨工作了仅1个月,但仍然获得了第一张日照面极光的单色像,这不论在科学上还是应用上都具有开创性的意义.随后,美国APL 对AIM 进行改进,研制了极光电离层遥感器AIRS [20](Auroral Ionospheric Re -m ote Senso r)安装在1986年11月发射的POLAR BEAR 等卫星上,卫星轨道高度约1000km.AIRS 与AIM 的重要不同有二点:一是将AIM 单一波段的成像能力扩展为4个波段,即2个可见光波段和2个远紫外波段;二是在光谱仪出射狭缝处放置了2个光电倍增管,使其可同时获得相距给定波长间隔的2个光谱像.该仪器有3种工作模式,即光度计、光谱和成像探测,图4为A IRS 的光路示意图和主要技术指标.该仪器可同时给出相距24nm 两个波段的远紫外极光像.探测器采用CsI 阴极日盲型光电倍增管,能有效阻止可见光和近紫外波段背景辐射对测量结果的干扰.随着紫外面阵CCD 和薄膜探测技术的发展,在上述仪器的基础上,美国于20世纪90年代开展了新一代低轨道极光和气辉远紫外全球成像光谱仪的研制,它与早期仪器的最大改进在于使用了紫外面阵CCD 器件,使早期的扫描镜+光谱仪+单探测器的成像方式发展成为真正的成像光谱仪.2001年开始发射的DMSP Block 5D3(S -16)S -20)等5颗卫星,卫星轨道高度约830km,计划在轨运行15年,其上搭载的SSUSI [21](Special Senso r U ltrav iolet Spectrog raphic Imager )由一台远紫外扫描成像光谱仪(SIS)和天底光度计(NPS )组成.SIS 有2种工作模式,即成像模式和光谱仪工作模式,表1为仪器主要工作参数和技术指标.SIS 由扫描镜、望远镜和罗兰圆光谱仪组成,其扫描成像模式的工作原理与AIM 和AIRS 相似,完成一帧扫描需22s,相比之下,其较慢的扫描速度使其灵敏度比AIM 和AIRS 高10~100倍,具有104动态范围.NPS 由3个滤光片光度计组成,仅在阴影区工作,给出夜间电离层的信息和FUV 极光的边界,探测的中心波长为629.4、630.2nm 和427.8nm.另外,该系列卫星上还同时搭载了SSULI [22](Special Sensor U ltraviolet Limb Imager ),它由五台紫外临图4 AI RS 的光路示意图和主要技术指标F ig.4 Sketch and cha racteristics o f AI RS optical r oute14765期王咏梅,等:星载远紫外极光/气辉探测发展综述边成像光谱仪组成,探测从极紫外到远紫外的气辉和极光发射,以获得电子、离子和中性粒子密度的高度分布特性.它们的投入使用使对地球热层和电离层空间天气效应的监测从试验阶段逐步转入连续监测的应用阶段.表1 DMSP/SSUSI 主要技术指标Table 1 Param eter of D MSP/SSUSI成象光谱仪探测波段121.6nm 、130.4nm 、135.6nm 、140~150nm 、160~180nm地球段扫描(-72.8)+63.2b )136b /156象元=0.87b /象元22s/156象元=140m s 临边段扫描0.4b /象元,24象元,9.6b 22s/156象元=140m s视场扫描136b )垂直轨道11.8b)沿轨道,16象元,0.74b /象元光谱仪工作模式光谱波段115~180nm 光谱元数160扫描方式不扫描,观测天底或选定方向视场1象元@6点(12象元))垂直轨道@沿轨道0.87b@8.9b1.2 国内极光/气辉空间探测发展由于我国长期以来除应用性的遥感卫星以外,没有开展基于空间平台的对地球系统的系统观测活动,因此在该领域的探测技术发展比较滞后.由于空间天气和空间环境研究关系到国家的空间发展地位,发展自己的空间环境探测体系已迫在眉捷.极光/气辉的空间探测以引起了众多科学家及应用部门的注意,目前国内已相继开展了有关的探测和研究计划[32].其中一个主要以极光探测为主要目的的重要空间探测计划)夸父计划[32]已经启动,上面将搭载多台极光成像探测仪器,包括远紫外极光监测相机、远紫外成像谱仪、广角极光成像仪等.由于我国在这些仪器研制方面的经验有所不足,在超环面远紫外光栅和反射镜、多通道远紫外M CP 探测器等方面的加工工艺与国外相比还有较大差距,因此所搭载的这些仪器基本都以国外,如加拿大、比利时等国家为主进行研制,我国有关单位只是在科学理论研究方面参与.但随着我国在空间探测仪器方面的投入的增加,相关的关键技术攻关工作目前正在进行,并已取得了长足进展,为极光的空间探测打下坚实的基础.2 探测器从国外远紫外极光探测仪器发展历程来看,对极光形态和电离层探测几乎是并驾齐驱.历经三十几年的发展,无论是从仪器的探测精度还是时空分辨率来看,均有质的飞跃,这其中探测器的发展可以说功不可没.远紫外波段的探测可以分为能量探测和成像探测两种.进行成像探测需要探测器为二维阵列式探测器,能量探测则利用光电倍增管等一维探测器即可实现.随着CCD 技术和MCP [23]技术的发展,在远紫外波段对极光进行成像探测已经成为一种趋势,我们将重点介绍用于此波段探测的二维成像探测器的情况,表2给出了一些代表性探测器的参数比较.目前二维成像探测器主要分为两类,一类是光学读出方式,另一类是电子学读出方式,光学读出方式即光阴极+M CP+荧光屏+耦合系统+CCD,这类读出方式是以加拿大研制的一系列对极光形态进行远紫外成像探测的仪器为代表的,例如VI -KING 卫星上的U AI 远紫外极光相机、IMA GE 卫星上的WIC 等,其优点是可以提供高的时间和空间分辨率,而且相对来说CCD 控制、采集技术比较成表2 探测器性能参数比较Table 2 Comparison of performance parameters f or dif feirent detectors参数M AM A 延迟阳极ICCD EBCCD 备注量子效率(%)15~2015~2015~2050~60C sI 121.6nm 可见光抑制<10-7<10-6<10-6<10-6C sI 400nm最大局部动态范围(c/p/s )8002~53545总动态范围(c/s )3.5@1059@105 1.0@105 2.0@104 1.5@106阵列尺寸1k @1k 2k @2k 13k @3k 2k @2k 1k @1k 像素尺寸((m)25@2520@327.5@7.521@211477地球物理学进展23卷熟,适合极光形态探测.而采用电子学的读出方式,其灵敏度相对较高,可以进行单光子计数式成像探测,适合更微弱光信号的探测,该读出方式主要有以下几种:分立阳极阵列、电阻阳极阵列(RANI-CON)、锲条阳极阵列、多阳极微通道板阵列(M A-M A)和延迟线阵列等[24~28].DM SP系列卫星中的GUVI[29]和SSU SI仪器使用的是锲条阳极阵列的读出方式,光阴极为CsI,对于给定的MCP,这种读出方式可以提供较好的空间分辨率,但其探测面积不能做大;IM AGE卫星上搭载的SI[30]使用的是延迟线阵列的读出方式,光阴极选用的是KBr,这种读出方式发展较晚,可以给出好的位置和时间的分辨信号;M AMA探测器是一种较新的技术,目前还没有看到其用于极光探测的报道,但SOH O[31]等卫星上已经使用该探测器作为远紫外波段的成像探测,它可以提供一个非常好的空间分辨率和大的动态范围.3结语从21世纪开始,各国对空间技术的发展愈加重视,各种先进的航天器、星载仪器都开始研制或准备发射.而在这些仪器的工作区)))/地球空间0中的各种状态及变化对其都会产生极大影响,甚至可能导致仪器无法工作或整个发射的失败.极光可作为太阳-磁层-电离层-中高层大气相连的近地过程的监视器,对空间天气和空间环境预报研究是非常重要的,尽管远紫外极光/气辉探测在国外已投入实用阶段,在我国却仍属起步阶段./双星0计划[32]的实施和即将实施的/夸父0计划[33]等对我国在该领域里的发展起了巨大的推动,但其有效载荷大部分为国外引进,从长远考虑,自主开发研制一些重要的空间探测仪器具有深远意义.就远紫外极光探测而言,极光形态和电离层探测均应同等重要,但该领域探测仪器的研制存在很多困难,如国内光学器件加工工艺、高性能远紫外探测器(像增强器等).在国家自然基金和相关部门的支持下,相关的关键技术攻关工作目前正在进行,并已取得了许多进展,其研究成果将可直接应用于我国的日)地空间探测计划,为实现我国星载远紫外极光气辉成像和光谱成像探测零的突破奠定了基础.参考文献(References):[1]M eier R R.Ultraviolet spectroscopy and remote sensing of th eupper atmosphere.[J]Space S ci.Rev.,1990,91:1~185.[2]徐文耀,国连杰.空间电磁环境研究在军事上的应用[J].地球物理学进展,2007,22(2):335~344Xu W Y,Guo L J.Study of space electr om agnetic environment and its application on military affairs[J].Progress in Geophys-ics(in Chin ese),2007,22(2):335~344.[3]Strickland D J,Jas pers e J P.Dependence of au roral FU V e-mis sions on th e incident electron sp ectrum and neutral 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