红外与激光工程
2024, 53(1): 20230176
1 烟台大学物理与电子信息学院, 山东烟台 264005
2 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西西安 710119
4 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 湖北武汉 430071
星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而, 长波红外对温度更加敏感, 因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此, 借鉴平流层风场干涉仪(StratosphericWindInterferometerforTransport, SWIFT)的设计参数, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析, 给出了仪器温度变化引起的风场误差, 提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明, 如果 SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在 10-3 K/s, Michelson干涉仪和 F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为 37m/s和 20m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到 10-3rad时, 热漂移引入的误差可降至 1m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。
大气风场 临近空间 Michelson干涉仪 卫星遥感 热漂移 atmosphericwind near-space Michelsoninterferometer satelliteremotesensing thermaldrift
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
太阳远紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一, 临近空间环境对太阳爆发活动的响应是有待深化研究的重要科学问题。 对太阳远紫外在中高层大气的辐射特性进行研究, 是研究临近空间大气成分与密度变化、 光化学反应以及动力学过程的重要基础。 利用FISM2耀斑模型计算的远紫外数据和MSIS-E-00模型提供的地球中高层大气数据, 将120～190 nm的太阳远紫外辐射分为7段, 使用基于Lambert-Beer定律的大气辐射传输方法进行数值模拟。 选取2010年1月至2020年12月共11年间的150组耀斑数据, 利用时间滞后互相关(TLCC)评估了太阳远紫外辐射和软X射线的耀斑峰值时间差, 使用最小二乘法(LS)计算了二者的耀斑峰值流量关系, 然后利用大气辐射传输方法计算了耀斑爆发时太阳远紫外在临近空间(20～100 km)的光谱特性、 流量变化以及加热率变化, 最后计算了太阳远紫外辐射在地球大气中的沉积情况。 计算结果表明, 在太阳耀斑爆发过程中, 远紫外辐射的流量出现明显变化, 流量峰值比软X射线提前240 s左右; 远紫外辐射与软X射线的流量峰值近似线性相关, 大于140 nm波段的系数随波长的增加而增大; 在20～100 km的临近空间范围, 太阳远紫外光谱几乎被完全吸收, 但由于大气成分特殊的吸收窗口结构, 185～190 nm波段的部分光谱可到达20 km高度; 临近空间区域内, 太阳耀斑爆发时与爆发前的远紫外流量比值在7个波段均为2.0左右, 峰值加热率的比值分别为1.22, 1.88, 1.35, 1.42, 1.23, 1.08和1.11。 验证了在临近空间利用远紫外辐射感知太阳耀斑的可行性, 为临近空间光学探测实验提供理论依据, 为大气反演等相关研究领域提供参考。
临近空间 太阳耀斑 远紫外 辐射传输 大气吸收 Near space Solar flare Far ultraviolet radiation Radiative transfer Atmospheric absorption
中国科学院西安光学精密机械研究所， 陕西 西安 710119
随着空间安全与应用探索的不断深入，近空间飞行器目标探测效能成为研究的核心问题。光学成像探测能够直观反映目标的形态、光谱与运动特性等多维度信息，因此成为空间探测感知的重要手段。在近空间大气密度、气压、对流等条件作用下，导致高速飞行器光学探测设备成像质量与探测性能衰减。采用以成像系统、大气传输系统和目标背景系统为要素的目标探测分析模型，根据气动光学效应理论，建立高速流场气动光学效应评价方程，对深空、近地等典型应用场景进行成像探测分析。设计了高速流场环境下目标探测地面验证试验，仿真测试结果表明，针对空间高速飞行目标，采用900~1 700 nm谱段短波红外探测器配合厚度10 mm以上石英窗口，对尾焰目标辐射具有良好观测效果；通过降低探测设备曝光时间、优化曝光控制策略及选用光学带通滤光片等方式，能够有效抑制背景杂光与气动光学效应影响。
近空间 目标探测 气动光学效应 高速流场 near space target detection aero-optical effect high speed flow field 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220218
为了解临近空间核爆炸碎片云运动特征与规律，利用建立的临近空间核爆炸碎片云运动计算模型，对当量1 kt~10 Mt爆高30~80 km核爆炸碎片云运动进行了系统性计算研究。结果表明：碎片云最大上升高度、水平半径和上升速度随爆高和当量增加。爆高30 km千吨级核爆炸碎片云最大上升高度为13~16 km，爆后5 min最大水平半径为4~5 km，兆吨级核爆炸碎片云最大上升高度为20~40 km，爆后5 min最大水平半径为15~30 km；爆高80 km千吨级核爆炸碎片云最大上升高度为30~50 km，爆后5 min最大水平半径为20~40 km，兆吨级核爆炸碎片云最大上升高度为200~400 km，爆后5 min最大水平半径为110~220 km。当量较小、爆高较低时，碎片云形状演化为扁椭球形；当量较大、爆高较高时，碎片云形状演化为倒梨形。研究得到的碎片云运动参数可为临近空间核爆炸电离层和人工辐射带等地球物理效应研究提供缓发辐射源信息。
临近空间核爆炸 碎片云 计算模型 运动规律 Near-space nuclear detonation Debris Computational model Motion law
1 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知重点实验室，北京 100190
星光掩星技术探测恒星光经大气层消光、 折射等作用后的恒星光光谱, 利用大气中不同成分对不同波长的光吸收的差异反演得到大气密度信息。 低轨卫星与恒星分别位于地球两侧, 低轨卫星接收到不同切线高度上光谱, 即构成星光掩星观测。 光谱探测高度可从平流层至低热层, 其中不同波段可用于不同大气痕量成分密度反演。 星光掩星技术具有探测参数多、 全球覆盖、 垂直分辨率高、 无需定标等优点。 GOMOS(global ozone monitoring by occultation of stars)是搭载在欧洲航天局ENVISAT卫星上的平流层臭氧检测仪器。 GOMOS利用星光掩星技术进行探测, 设计精密, 分辨率高, 在轨稳定运行十年(2002年—2012年), 探测波长跨越紫外到可见光波段, 采用光谱反演和垂直反演迭代的方法反演大气成分密度, 得到了大量关于临近空间区域大气资料, 对长期监测平流层至低热层区域变化提供了可靠的数据支持。 利用GOMOS掩星数据, 提出一种简单的反演方法——剥洋葱法, 反演临近空间高度上臭氧数密度。 剥洋葱法假设地球大气对称且水平分层, 利用单个波段光谱进行反演, 假设在此波长上光谱的大气吸收效应全部由臭氧造成, 即选择臭氧吸收占据绝对优势的波长。 经分析, 在50~100 km高度上可以利用290 nm波段进行反演, 在15~50 km高度上可以利用600 nm波段进行反演。 根据Beer-Lambert定律, 随切点高度自上而下, 对恒星光光谱透过率利用剥洋葱法进行反演得到臭氧数密度。 将剥洋葱法反演结果与GOMOS官方发布结果相对比, 两者符合得很好。
星光掩星技术 臭氧密度 反演方法 剥洋葱法 Stellar occultation Ozone density Inversion method Near space 韦飞 1,2,3,4,*张轩谊 1,2,3,4彭松武 1,3,4李文 1[ ... ]冯鹏远 1,3,4
1 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室，北京 100190
4 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190
5 清华大学 精密仪器系，北京 100084
设计了利用高空气球平台搭载到达临近空间底部区域的太阳远紫外-紫外光谱仪，对170~400 nm波段的太阳远紫外-紫外辐射进行高分辨光谱探测，在该区域获得波长小于280 nm的远紫外光谱数据。该远紫外-紫外光谱仪采用改进的罗兰圆光路设计实现紧凑、轻量化、宽波段和高光谱分辨率，并通过Zemax仿真软件对光路设计进行了光谱分辨率、波段覆盖性和杂散光抑制等关键指标的仿真分析，验证设计的可实现性及其对科学研究需求的满足度。
临近空间 太阳 高分辨率 远紫外 紫外 光谱仪 Near space Sun High spectral resolution Far-ultraviolet Ultraviolet Spectrometer 光子学报
2021, 50(12): 1222002
1 中国科学院 长春精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求，设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法，完成了主镜的设计，基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件，最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证，然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明，主镜组件在光轴水平，1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ（λ=632.8 nm），反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ；总质量为102.7 kg，基频为171 Hz，振动前后RMS值基本不变，与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性，满足临近空间望远镜的设计要求。
临近空间 复合支撑 仿真分析 面形检测 力学试验 near space compound support simulation analysis surface shape error test mechanical test
1 电子科技大学资源与环境学院, 四川成都 611731
2 中国空空弹研究院, 河南洛阳 471009
3 中国人民解放军 93307部队, 辽宁沈阳 110000
红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理, 面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识, 设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用 MODTRAN模型进行仿真, 量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异, 分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明, 大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小, 且与大气状况密切相关; 得出了传感器在 3～14 .m范围内的最优透过率波段; 季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。
临近空间 红外辐射特性 目标与背景 大气透过率 对地探测 near space, infrared radiation characteristics, ta
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
2 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室, 北京 100094
针对处于临近空间的飞行器高压供电系统发生的局部放电故障,采用一种基于荧光光纤的全光纤传感系统进行地面模拟环境下的测试,得到等效气压状态下临近空间的局部放电响应参数。该系统等效地面高度可达20 km以上,可实现真空实验舱内直径为86 cm的空间范围内的局部放电故障检测。实验结果表明,基于荧光光纤的全光纤传感系统对不同压强条件下的局部放电故障具有良好的光电响应特性。
光纤光学 塑料荧光光纤传感器 局部放电 临近空间 真空压强 局部放电地面模拟系统 光学学报
2021, 41(15): 1506003
