1 烟台大学物理与电子信息学院，山东 烟台 264005
2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071
3 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论，利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪（MIGHTI）测量的O2-A波段气辉辐射强度图像，反演得到海拔为92~140 km的大气温度廓线。首先，根据氧分子气辉光谱理论，结合MIGHTI仪器参数，计算了其各光谱通道信号强度随温度的变化关系；然后，利用剥洋葱算法提取各光谱通道的目标层信号强度，并结合信号强度与温度的函数关系，反演得到大气温度廓线；最后，通过与SABER卫星的观测结果及NRLMSIS-00大气模型的仿真数据的对比，验证了MIGHTI温度反演的可靠性与合理性。误差分析结果表明，MIGHTI的温度探测误差随高度增加而增大，在92 km处为1 K，在140 km处为13 K。
大气光学 温度反演 气辉辐射 临边观测 剥洋葱算法 光学学报
2023, 43(12): 1201006
1 中国科学院国家空间科学中心,北京 100049
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
通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测, 能够反映电离层中电子总含量、 等离子体泡分布等特性, 是有效的电离层探测方式之一。 电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态, 在夜间以气辉的形式将能量辐射出去, 辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关, 因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。 天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势, 为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化, 丰富和扩展电离层探测手段, 需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。 该研究主要工作: (1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程, 设计了一种气辉成像仿真分析方法, 该方法对630 nm辐射强度进行计算, 分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布, 为设定探测指标提供理论依据; (2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究, 包括成像链路分析、 信噪比分析, 并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数, 开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。 本文主要结论: (1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切, 太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh, 太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh, 辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果; (2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km, 气辉水平分辨率达到1 km, 对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10, 在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构, 在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。 该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据, 也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。
天基成像仪 电离层 气辉 成像仿真 Space borne imager Ionosphere Airglow Imaging simulation
西安理工大学 理学院 应用物理系，西安 710048
分别利用He-Ne激光632.8 nm、O2（0-1）867.7 nm和O （1S）557.7 nm谱线作为光源，研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数，给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上，部分视场MTF高于0.6；对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉，理论计算的MTF分别为0.508和0.510；由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24，与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。
地基气辉成像干涉仪 光学传递函数 干涉成像 气辉 光学仪器 Ground-based airglow imager interferometer Modulation transfer function Interferometric imaging Airglow Optical instrument
王维佳 1,2,3罗海燕 1,2,3李志伟 1,3熊伟 1,2,3,*麻金继 3,4,**
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
气辉是中高层大气的重要光化学现象,其中O2 A带(762 nm)气辉是进行中高层温度探测的最佳观测目标之一。基于Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System(OSIRIS)在2008年间探测的O2 A带夜气辉辐亮度数据,研究了该气辉全球性时空分布特征。对于夜气辉辐亮度在不同纬度带内的海拔-季度分布,研究结果表明,O2 A带夜气辉辐亮度的高值存在于海拔95 km附近,同时南北半球A带夜气辉辐亮度随季节的变化特征刚好相反,北半球辐亮度高值出现在第二、三季度,而南半球辐亮度高值出现在第一、四季度。另外,对于夜气辉辐亮度在不同季度的纬度-经度分布,发现O2 A带夜气辉在经向分布较均匀,而纬向分布波动较大。辐亮度高值所在的纬度区间在不同季度具有差异性。研究结果与相关文献相似,证明了本结果的正确性。同时,从气辉季度变化规律和影响因素的角度分析,推断夜气辉的分布具有周年往复的趋势。O2 A带夜气辉的时空分布特征对后续仪器设计的研究有重要意义。
大气光学 O2 A带夜气辉 中高层 空间分布 时间分布 光学学报
2021, 41(12): 1201001
中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere, MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域, 也是中高层大气中一个重要的耦合区域。 基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer, MASP), 对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。 MASP的整个探测系统包括光阑、 消色差双胶合透镜、 窄带干涉滤光片、 镜头、 制冷CCD探测器, 元件之间通过黑色氧化铝套筒连接, 利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。 外壳具有良好的隔热性能, 并配有低功率半导体TEC空调, 保证恒温在(23±0.5) ℃。 MASP的视场角为±13.6°, 探测高度为94 km左右, 观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km, 探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。 基于仪器的光学原理、 气辉O2(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数, 构建了正演模型, 并从正演图像中计算出了合成光谱。 给出了反演算法的详细流程, 包括暗噪声、 宇宙射线、 月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法, 同时提供了实际观测合成光谱的计算方法, 温度反演流程及其误差的评估。 2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测, 目前已经获得多组高质量的数据。 文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例, 以及2018年10月间13组有效数据的平均值, 其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间, 误差范围在±1.8~±4.3 K之间。 通过与MSISE00经验模型的数据进行对比, 温度趋势具有良好的一致性, 从而验证了反演方法的有效性和准确性。 MASP结构紧凑, 性能稳定, 后期易于维护, 适用于多台站组网观测。
光谱光度计 转动温度 气辉 反演 Spectrum photometer Rotational temperature Airglow Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3002
王大鑫 1,2付利平 3,4,5,*江芳 3,4,5贾楠 3,4,5,6窦双团 3,6
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京
2 100190中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
4 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
5 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
6 中国科学院大学, 北京 100049
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。
日气辉 辐射传输 电离层 O+83.4nm O+83.4nm Dayglow Radiative transfer Ionosphere 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1334
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本, 提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统, 货架级的窄带滤光片置于一次像面处, 使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明：系统F数为2.8, 波段范围427.8~865 nm, 色焦移小于0.048 mm, 系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上, 满足使用要求, 且滤光片公差容限非常宽松, 面形公差PV≤λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05, 货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案, 该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片, 达到了简化系统降低成本的目的.
光学设计 全天空成像仪 气辉 复消色差 Optical design All sky imager Airglow Apochromatic
1 武汉科技大学城市学院, 湖北 武汉 430083
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
3 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
4 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
5 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
全球大气风场温度场探测具有重要的学术意义及广泛的应用前景。O2分子的红外大气带([a1Δg←X3Σg])在1.27 μm波段的气辉具有相对较强的辐射以及相对较弱的自吸收, 是实现较低空域的大气风场和温度场探测的最佳目标源之一。通过O2临边辐射光谱特性分析确定了两组共6条最佳目标谱线, 论证了这些谱线对风温探测的空间覆盖能力, 探讨了谱线的分离选取技术方案, 并借鉴MIMI仪器设计参数, 采用Michelson干涉仪进行了正演数值仿真, 得到临边观测图像。数值模型结果分析表明, 以O2 1.27 μm波段的气辉辐射为探测源的Michelson干涉成像仪可以实现45~90 km的大气风场及温度场探测。
风温探测 干涉仪 星载 气辉 临边观测 wind and temperature observation interferometer onboard air glow limb-viewing
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 中科院光谱成像技术重点实验室, 西安 710119
2 中国科学院武汉物理与数学研究所 波谱与原子分子物理国家重点实验室, 武汉 430071
3 中国科学院国家空间科学中心, 北京, 100190
提出并分析了以O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O2(a1Δg,υ′=0)→O2(X3Σg,υ″=0)带的辐射传输模型, 并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好, 能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求, 进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例, 对以O2(a1Δg) O19P18(7 772.03 cm-1)为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析, 结果表明40~70 km高度范围内视线风速测量精度优于5 m/s; 适当放宽风速反演精度情况下, 探测范围能够向40 km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.
气辉 光谱学 辐射传输 遥感探测 干涉仪 Airglow Spectroscopy Emission transfer Remote sensing Interferometer
