磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N2浓度的显著变化, 故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2作为电离层热层受扰动的标志。 研究表明, O和N2柱密度之比O/N2与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性, 因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。 自20世纪70年代以来, 国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作, 并相继发射了多颗相关卫星, 尤其是美国、 日本以及瑞典等国家。 而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中, 只有一些工作在微波波段、 可见光波段的载荷, 还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器, 直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射, 卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷, 它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据, 为开展电离层O/N2特性的研究奠定了基础。 首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N2的理论依据。 其次, 基于MSISE-00大气模型, 利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N2之间的比例系数, 然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N2, 进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。 在数据处理过程中, 采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理, 进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。 最后, 将电离层光度计O/N2的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI（Global Ultraviolet Imager）的结果进行对比, 结果显示二者对磁暴的响应一致, O/N2的产品误差RMS约为0.319 6, 文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析, 为后续工作的开展奠定了基础。 此次研究, 首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析, 这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。

电离层极紫外波段(10～100 nm)日辉辐射主要是由太阳光电离激发以及光电子碰撞电离激发过程产生的, 利用天基遥感探测手段对极紫外日辉辐射进行观测, 可以获得白天电离层F层的电子密度、 离子密度及空间分布等信息。 极紫外波段日辉的天基遥感探测技术在国外起步较早, 尤其是欧美、 日本等国家, 目前已经处于相对成熟的阶段。 而我国对极紫外波段气辉辐射的研究几乎为空白, 对电离层的探测也主要集中在夜间, 如2017年我国发射的风云三号气象卫星D星上装载的电离层光度计可以获得夜间电离层峰值电子密度。 对极紫外气辉进行遥感观测, 特别是对电离层中O+ 83.4 nm日气辉辐射的辐射特性进行探测, 是获得白天电离层辐射特性的重要手段, 也是国际上电离层光学遥感探测技术的研究热点。 首先介绍了极紫外日辉的辐射传输理论, 对日辉辐射的激发过程、 碰撞过程以及共振散射过程进行了介绍, 在此基础上重点分析了O+ 83.4 nm日气辉辐射的产生机制及辐射特性。 该辐射是太阳光电离激发低热层中的O原子而产生, 为电离层极紫外气辉中辐射强度较强的信号之一, 83.4 nm气辉的高度分布情况可以提供电离层O+密度扩线以及电子密度扩线, 为白天电离层探测提供了一种有效手段。 其次分析了O+ 83.4 nm日辉辐射的谱带特性, 以MSIS-00大气模型为基础, 利用由美国计算物理公司与空军实验室联合开发的AURIC v1.2模型计算83.4 nm气辉辐射的初始体发射率、 共振散射作用下的体发射率和临边柱辐射强度的分布情况, 探究O+83.4 nm日辉谱线与高度、 纬度、 太阳活动和地磁活动等电离层物理参量的相关性。 基于极紫外日辉辐射算法, 同时根据氧离子83.4 nm辐射传输特性, 考虑该辐射的多次散射效应, 提出了氧离子83.4 nm日辉辐射的计算方法。 假设电离层呈现电中性, 获得氧离子83.4 nm日辉强度可以反演白天电离层O+密度, 进而获得白天电离层F层电子密度的分布情况, 为探究白天电离层特性提供了重要依据。

远紫外波段(115～200 nm)光学遥感是在卫星上获得空间环境参数, 如O, N2和O2等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、 电离层电子密度TEC、 电子密度廓线、 等离子体含量、 大气温度廓线、 太阳EUV流量、 能量粒子沉降等信息的重要探测技术, 也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。 定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标, 包括发射前实验室定标和在轨定标。 发射前定标给出载荷的原始定标系数, 而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。 远紫外探测技术用于中高层大气、 电离层、 磁层、 太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始, 以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划, 并且开展了大量的在轨定标技术研究, 确保载荷数据的长期定量化应用。 我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究, 在轨定标技术基本属于空白。 在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、 基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。 以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例, 分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、 光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、 在轨定标数据处理方法及处理结果。 对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明, 对于视场较大, 且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪, 首选外定标源法, 即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源, 根据运行轨道进行定标模式合理设计, 并结合实验室定标数据, 实现在轨全视场定标; 对于光度计类的单点探测仪器, 由于视场限制, 极少有恒星观测条件, 故推荐采用替代定标方式, 实现载荷在轨长期监测, 但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析, 以提高定标精度; 而利用内部标准源进行定标的方法, 标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。

给出了一种利用气辉探测反演中高层大气氧分子柱密度的新方法。 氧分子对N2 Lyman-Birge-Hopfield (LBH)短波带(LBHS)的吸收作用较强， 而对N2 LBH长波带(LBHL)的吸收作用较弱， 根据这一特性， 利用N2 LBHS与N2 LBHL的比值来反演中高层大气氧分子柱密度。 通过气辉模型计算得到一个用于估计氧气含量的插值表， 计算得到在不同氧分子柱密度、 不同太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动条件下的N2 LBH长短波带比值的自然对数ln(LBHS/LBHL)， 根据探测的ln(LBHS/LBHL)及相应的太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动指数， 拟合得到氧分子柱密度。 最后， 采用模式模拟的方法对反演结果进行验证， 所得反演结果与模拟真值的误差在百分之十以内， 证明了这种探测中高层大气氧分子柱密度新途径的可行性。

为了满足大气微量成分高精度测量需求, 需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。 针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、 波段宽、 空间分辨率和光谱分辨率高等特点, 研制了狭缝函数测量仪。 介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构, 并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、 宽谱段测量的特点, 通过搭建定标装置, 对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试, 得出了仪器狭缝函数的数学表达式, 给出仪器狭缝函数的特性分布, 并对结果进行分析。 测试结果表明: 高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423～0.597 nm之间, 其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。 由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象, 从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。 狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计, 可同时输出多条高分辨率谱线, 且分布均匀, 不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数, 也可对星载高光谱仪器光谱定标, 为后续研究提供了参考依据和方法。Instrument

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点, 建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次, 光谱范围宽且具有较高的分辨率, 可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线, 克服了传统定标方式的缺点, 提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理, 接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标, 通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程, 并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明: 高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律, 定标不确定度为0.025 8 nm, 汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm, 证明了定标结果的准确性。

为保证星载成像光谱仪测量结果的准确性，设计了双巴比涅退偏器。首先利用电磁波理论及光波传输理论分析了双巴比涅退偏器的工作原理，接着根据偏振光在双折射晶体中的传播公式设计出适当的该退偏器的楔角，最后搭建一套偏振测试装置，对研制完成的双巴比涅退偏器的退偏性能进行测试。测试结果表明：该双巴比涅退偏器在-15～15 ℃入射角范围内具有较好的退偏性能。退偏器楔角选择6°时，能在不影响成像质量的前提下较好地对探测波段退偏，且退偏度不受方位角及频率的影响，退偏度优于99%。该退偏器具有退偏度高、透射比高、性能稳定、体积小等优点。由于测量系统误差，测量不确定度为0.00290。