为了保证月基极紫外相机圆满完成工程任务, 实现对地球周围等离子体层的观测研究, 设计并实现了极紫外相机软件系统。首先, 介绍了软件系统的构成及工作原理; 其次, 对软件系统的关键模块及工作模式进行详细设计; 最后, 对极紫外相机在月球表面长期探测的结果进行详细分析。探测结果表明: 软件系统实现了精准的对地跟踪, 误差≤0.1°, 高压控制到2 850 V时获得了高质量的图像数据, 各功能及工作模式执行正确, 各项性能测试结果满足极紫外相机技术指标要求, 为极紫外相机在月球取得圆满成功的结果起到了重要作用。

地球等离子体层的分布主要受到地球磁层的特性影响。早期对地球磁层的研究,主要是通过采集地磁平静期的观测数据,建立半经验模型和经验模型来研究。随着成像技术的发展,可以通过遥感成像的方式,在全球尺度下获得磁扰期、平静期等不同时刻的地球等离子层分布信息,从而更直观、全面地了解磁层磁场的变化。本文研究了现有的地球等离子体层模型,详细阐述了不同地球等离子层模型的描述形式、应用特性,以及地球等离子体层遥感成像观测的方法和手段。最后,通过计算机模拟了在经验地球等离子层模型输入情况下,极轨道卫星对地球等离子体层分布的成像结果。

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状, 研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系, 提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法, 进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明, 该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向, 以及着陆器在该坐标系中的位置, 精确定位影像中地球质心的位置, 校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置, 确保极紫外相机探测数据的科学应用价值, 实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.

月基极紫外相机用于月球表面对地球等离子体层辐射出的30.4 nm谱线进行成像观测, 多层膜反射镜是月基极紫外相机的重要光学元件。 根据月基极紫外相机技术参数, 选择了B4C/Mg, B4C/Mg2Si, B4C/Al, B4C/Si, Mo/Si等材料, 对其周期厚度、 材料比例、 周期数等参数进行优化。 计算了以上材料组合在30.4 nm的反射率曲线。 考虑到月球环境的特殊性和材料的物理化学性质, 从中选择出Mo/Si和B4C/Si两种组合, 利用磁控溅射进行镀制。 Mo/Si和B4C/Si多层膜在30.4 nm反射率分别达到15.3%和22.8%。

研究了月球表面高温、强辐射的空间环境下Mo/Si多层膜的热稳定性和辐照稳定性。Mo/Si多层膜采用磁控溅射法镀制，将制备好的多层膜在100 ℃和200 ℃高温下加热，利用激光等离子体反射率计和X射线衍射仪(XRD)对加热前后的多层膜进行了测量。结果显示在200 ℃以内，多层膜反射率和中心波长没有显著变化，表现出良好的热稳定性。利用Monte Carlo方法模拟了质子在多层膜内造成的缺陷的分布和浓度分布。模拟显示，能量大的质子沉积在多层膜内部，造成的缺陷也集中在多层膜内部。用能量为60 keV，剂量分别为3×1012 cm-2和3×1014 cm-2的质子对Mo/Si多层膜进行辐照实验。发现多层膜内部出现了烧蚀损伤缺陷及节瘤缺陷。结果表明能量相同时，辐照剂量越大对多层膜反射率影响越大。

为了对地球等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位的长期监视和观测，研制了月基极紫外相机。相机主体采用多层膜单反射镜光学系统以及30.4 nm球面光子探测器的结构形式，跟踪机构采用俯仰-方位模式，由步进电机驱动实现对地球的捕获。针对卫星发射、地月变轨、月表着陆过程中的振动冲击以及月表残酷的温度环境，月基极紫外相机的光机结构设计考虑了环境(力学、温度)适应性，有限元分析结果表明，光机结构在整机质量<15 kg条件下，一阶谐振频率为49.3 Hz; 运动机构在-50～+80 ℃运转自如; 在50 ℃均匀温降载荷作用下反射镜面形精度RMS值为13.44 nm(<14 nm)，满足相机的技术指标要求。

依据地球等离子体层在30.4 nm的辐射特性，首次以月球为观测点进行地球等离子体层极紫外波段成像观测方法研究。确定了在月球表面使用的极紫外成像仪的技术参数，给出了视场角为15°、角分辨率为0.1°、入瞳面积>70 cm2的极紫外成像仪的结构形式，采用单球面多层膜反射镜与球面微通道板光子计数成像探测器相结合的方式设计了极紫外成像仪。对设计的极紫外多层膜光学系统成像仪进行光线追迹，弥散斑半径分别为0.210 mm (0°视场)、0.204 mm (3°视场)、0.204 mm (5°视场)、0.207 mm (7.5°视场)，对应的角分辨率为0.08°，弥散斑在不同视场角度基本均匀，其结果满足设计要求。该仪器可在月球表面工作，获得视场范围为15.0 RE，覆盖地球等离子体层主要区域，空间分辨率为0.10 RE，可以很好地观测到地球等离子体层主要细节，为从外部进行地球等离子体层观测提供了一种高质量的成像观测方法。

研究了地球等离子体层的极紫外辐射特性，结果表明从月球上探测时地球等离子体层顶位于35 081.75 km以内，等离子体层结构的典型尺度量级为637.85 km，He+30.4 nm辐射强度为0.02~11.4 Rayleigh。讨论了月球轨道运动特性和月球表面环境特性，结果显示在一个月球公转周期内，总观测时间约为12个地球日，极紫外观测仪器对地指向的纬度最大偏移约为7°，经度最大偏移约为6°。对月面的极紫外辐射分析表明，太阳峰年月面散射的极紫外辐射强度约为2.0 Rayleigh，与地球等离子体层辐射量级相当。根据SELENE数据，描述了极紫外观测仪器所在的5个拟着陆区的地貌特征，证明了月面散射的极紫外辐射不会进入观测仪器，其中虹湾区的地形最为理想。根据Apollo-12和Apollo-15太阳风数据分析了月面质子和电子通量，结果显示在太阳峰年，一年内两者的总流量均为约5×1015 cm-2。根据Apollo-12局地观测，在一个月球周期内，月面温度变化为80~390 K。得到的结果为月基极紫外观测仪器设计提供了重要依据。