利用FY-3(D)卫星电离层光度计数据反演电离层O/N2

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。     

基于N2 LBH带的中高层大气氧分子柱密度反演

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(LBH_S)的吸收作用较强,而对N₂ LBH长波带(LBH_L)的吸收作用较弱,根据这一特性,利用N₂ LBH_S与N₂ LBH_L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(LBH_S/LBH_L),根据探测的ln(LBH_S/LBH_L)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。     

基于OI130.4nm光谱数据的热层O/N_2反演方法

提出了一种由OI 130.4nm日气辉光谱数据反演热层O/N2的方法。建立了两者在观测天底和太阳天顶方向的数学模型,并利用辐射强度随观测角和太阳天顶角的变化特性,构建了观测角和太阳天顶角归一化系数查找表,提出了一种由OI 130.4nm日气辉辐射反演热层O/N2的方法,并在算法中引入了偏差系数校正。最后,由计算得到的450个气辉辐射为例进行了O/N2的反演,反演误差分别为4.16%和27.05%。结果表明,提出的算法能够重现其大部分结构特征,与以往算法相比具有明显的优越性。     

电离层O~+83.4 nm日辉辐射传输特性研究

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。     

空中目标红外辐射多波长大气透过率实时反演算法

 针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

基于地对空观测光谱的大气CO_2柱浓度反演分析（英文）

基于地对空高光谱观测获取大气CO2柱浓度(大气中CO2的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO2浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO2柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO2柱浓度。在基于1.6μm大气CO2的光谱吸收特征进行CO2浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO2柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO2柱浓度为390.9μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012~0.042nm范围时,将会导致1μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357~6 358,6 360~6 361和6 363~6 364cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11μg·mL-1,最大可达4μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO2柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

大气Ring效应差分截面的计算

基于差分吸收光谱算法,使用卫星数据反演大气NO2和SO2等痕量气体柱浓度的时候,Ring效应是影响反演结果精度的一个重要因素。Ring效应是指:受太阳表面大气消光效应影响,产生称之为夫琅禾费线的暗线结构,而由于太阳光在地球大气中传输引起非弹性散射,导致观测到的夫琅禾费线变短,这个结果可以近似地认为是对夫琅禾费线的填充。研究表明,大气中的N2和O2分子的转动拉曼散射是导致Ring效应的主要原因。利用星载传感器OMI/AURA测量的太阳光谱和N2和O2分子的转动拉曼散射截面卷积,除以原始太阳光谱,再经过差分计算,可以获得Ring效应的差分截面,以用来反演痕量气体的浓度。计算的结果与利用辐射传输方程得到的结果比较,相关系数R2达到了0.9663,表明二者基本是一致的。     

基于恒星辐射稳定性的全天空极光成像仪辐射定标方法

全天空极光成像仪是一种重要的地基极光观测设备,对全天空成像仪进行辐射参数定标能够获得全天空图像中极光结构在不同观测谱线上的真实激发强度,这对于空间物理过程的定量研究有着重要的意义。受到极区观测台站的条件限制,许多全天空极光成像仪无法在观测现场进行辐射参数定标。为此,提出一种基于恒星辐射稳定性对全天空成像仪进行辐射参数定标的方法,把恒星作为"虚拟标准光源",利用全天空成像仪获取的星空图进行辐射定标,最终确定辐射强度-图像数值之间的辐射参数。利用更多的恒星亮度作为参考标准,以及电离层卫星探测到的极光沉降电子数据,结合GLOW模型计算的极光激发强度作为参考标准,对定标结果进行了两种不同方法的验证。结果显示,在恒星亮度验证中,恒星亮度偏差最大值为12.22%,平均偏差为4.624%;在卫星沉降粒子验证中,利用模型计算出的极光弧峰值强度与全天空观测获得极光弧峰值强度偏差最大值为11.30%,平均偏差为5.603%。两种验证结果相近,这表明本文所提定标方法是有效和可信的。     

介质势垒放电(DBD)等离子体中NO荧光发射谱研究

利用介质阻挡放电 (DBD)等离子体技术对大气污染物NO分子进行了光谱研究 ,得到了低气压条件下放电等离子体在 2 1 0～ 2 80nm光谱范围内的荧光发射谱。该谱明显的表现为双峰结构 ,谱线均成对出现 ,强度分布符合Frank Condon原理 ,且最大峰值位置出现在 2 36nm处 ,将该组谱线归属为NO分子的A2 ΣA →X2 Π1 / 2 ,2 / 3 跃迁。荧光产生过程为 :基态NO分子与高能电子发生非弹性碰撞被激发至激发态A2 Σ 后自发跃迁回基态同时辐射出荧光。通过测量等离子体中NO分子和N2 分子 337nm谱线强度随时间的变化关系 ,初步证实了放电等离子体中存在的NO分子的分解机制为 :e NO→N O e,N NO→N2 O ,O NO→NO2 hν。     

Magnetogravity waves in the ionosphere under conditions of finite conductivity

We obtain dispersion relations for magnetogravity waves in the ionosphere with allowance for the combined influence of magnetic field, gravity, and finite conductivity within the framework of the hydrodynamic approximation. The required conditions are fulfilled in the ionosphere at altitudes over or about 250 km. The auroral electrojet is considered as a source of magnetogravity waves which are frequently observed as traveling ionospheric disturbances. The contribution of magnetogravity waves to the ionospheric disturbances is determined on the basis of analyzing the data from the vertical sounding of the ionospheric F₂ layer and the geomagnetic disturbances along the chosen magnetic meridian and on its sides. The features of the obtained dynamic spectra of magnetogravity waves agree with the characteristic frequencies and velocities determined by the calculated dispersion curves. As a result, we confirm the fact that magnetogravity waves stipulate some traveling ionospheric disturbances and can be used for diagnostics of the ionospheric parameters.     

利用干涉成像光谱技术测量大气风场

以大层大气中的气辉（极光）为被探测源,利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应对上层大气风场进行测量,分析和计算了大气风场的速度和温度,并就被探测源和探测器之间的相对速度与其连线成任意角时的情形进行了讨论。采用计算机模拟,分析了大气风场的测量效果。     

On the source of auroral kilometric radiation

The radiation pattern has been determined on the basis of the comparative analysis of auroral kilometric radiation (AKR) received in the space-diversity mode by two satellites, Interball-2 and Polar. The radiation propagates in a cone with an opening angle ～±25° and the axis aligned with the local magnetic field. The results con-firm the theoretical estimates that the source boundaries play a significant role in the generation of the auroral kilometric radiation and in the formation of the radiation pattern.     

Modeling the problem of low-orbital satellite UV-tomography of the ionosphere

The results of modeling the direct and inverse problems of low-orbital satellite ultraviolet (UV) tomography of the ionospheric 135.6 OI volume emission rate are presented. The direct problem was solved with the orbital geometry of DMSP block 5D3 satellites with SSUSI and SSULI UV spectrographs among the other payloads, the real operating parameters of these instruments (the scan rate and the interval of scan angles), and the set of the model distributions of the volume emission rate that contain irregularities on various scales. The solution of the direct problem yields the radiation intensities in the 135.6 nm line, which is used as the input data for reconstructing the initial (prototype) model distributions of the volume emission rates. The obtained system of linear equations (SLE) was solved using the Algebraic Reconstruction Technique (ART) and Simultaneous Iterative Reconstructive Technique (SIRT) algorithms, which are highly efficient in problems of the low-orbit radio tomography of the ionosphere. It is shown that the initial model distribution can be successively reconstructed if one takes the non-negativity condition of the solution into account, uses weighting functions to decrease the solution in the regions where it is known to be a priori small, and applies inter-iteration smoothing to eliminate the effects of the approximation errors. Here, the averaging parameters should decrease in the course of the iterations. With these constraints fulfilled, the computational costs of the ART- and SIRT-based solutions are similar, while the reconstruction error is approximately 6%. The influence of random errors and bias in the data on the results of the reconstruction is explored. It is shown that with a given error level of the initial data the parameters of the reconstruction algorithms can be adjusted in such a way as to efficiently suppress the influence of the noise with a relative amplitude of 2–3% on the solution.     

远紫外光谱遥感反演热层O/N2技术研究

磁暴会引起热层中性成分O和N2的显著变化。为研究热层中性成分随磁暴的变化规律,利用TIMED卫星搭载的全球紫外成像仪探测数据,借助AURIC完成了观测角和太阳天顶角归一化,提出了一种热层O/N2的反演方法。通过O/N2追踪太阳风暴的发生过程,分析了2002年9月29日到10月4日的O/N2数据发现受磁暴影响O/N2发生衰减,且衰减范围由极区向赤道方向延伸。     

非球对称电离层掩星数据反演

电离层掩星数据的传统反演方法是电离层球对称假设下的Abel变换反演方法,但是实际的电离层电子密度分布不是球对称的,电离层的非球对称分布给电离层电子密度反演带来误差.发展了一种新的非球对称电离层掩星反演方法,利用国际参考电离层模型提供的三维电离层电子密度分布先验信息来修正掩星总电子含量 ,再通过球对称假设下的Abel变换反演出电离层电子密度.利用新方法反演了星座气象、电离层和气候观察系统掩星实测数据,并将得到的反演结果与电离层探测器资料进行了比较.结果表明,新方法能够较好地反演出电离层电子密度. 关键词： 电离层掩星 电子密度 国际参考电离层模型     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

基于洛伦兹线型极光的上层大气风场探测模式研究

从洛伦兹线型极光的干涉强度、调制度与光程差的理论公式出发,用λ/4的步进光程差即“四强度法”获得一个波长范围内的4个干涉强度值,以实现基于洛伦兹线型极光的上层大气的风速、温度、压强等物理量的探测。提出用改形萨尼亚克成像干涉仪替代迈克耳孙干涉仪实现上层大气风场,给出了基准光程差的公式,并用四面角锥棱镜镀膜技术获得4个干涉强度值来同时探测上层大气风场的模式。最后在实验室将Kr灯557.0nm调整光束到一定宽度,对称地从顶角为60°的两面镀膜角锥棱镜的顶点入射,用768pixel×576pixel的CCD照相机接收到两个光斑的成像,这两个光斑的再复制就得到镀膜四面角锥棱镜在一个周期内的4个干涉强度光斑,从而获得上层大气风场。     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的Raman后向散射信号与Li-7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明,大气CO2在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.