浅谈紫外天文学的发展

 在威廉·赫歇耳发现太阳的红外辐射不久,1801年德国物理学家里特尔发现了太阳的紫外辐射。紫外波段介于可见光和X射线波段之间。紫外辐射受大气吸收最为严重。对波长0.2-0.3微米的紫外线尚可用升高到50公里的气球获得,而其余紫外波段的观测工作必须要用火箭和卫星完成。由于在紫外区可以了解到比可见光区更多的有关天体物理状态和化学组成的信息,现代天体物理学家十分重视这一领域的研究。从太阳开始,先后探测了行星和行星际空间、银河辐射源,以及河外源,取得了不少令人振奋的成果。 太阳系紫外探测 紫外研究的第一个天体是太阳。其实,在太阳总辐射中,紫外辐射所占的比例很小,约占7％,但这部分短波辐射能够引起地球高层大气各种反应,对卫星表面涂层和太阳能电池有破坏作用,因而受到人们的重视。人们对太阳紫外辐射关注的另一个原因是太阳紫外光谱中有许多高电离硅、氧、铁等元素的谱线,它们对太阳色球和日冕间过渡层和耀斑活动的研究极有价值。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

基于空间外差光谱技术的紫外高分辨率太阳直射光谱测量

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。     

利用LBH辐射图像数据反演大气O/N2方法

利用极光Lyman-Birge-Hopfield (LBH) 辐射图像数据可用来研究太阳风磁场与地球磁场耦合、亚暴与磁暴等过程，综合LBH辐射图像数据和O原子135.6nm辐射数据可反演电离层氧原子与氮气分子O/N2比值分布，进而研究高层大气组分信息及电离层分布变化，对科学研究和空间天气预报具有重要意义. 本文给出了LBH辐射传输机理和我国自主研制的搭载在风云三号D星（FY-3D）上的广角极光成像仪（Wide-field Auroral Imager, WAI）在轨获得的LBH 140-180nm波段极光辐射图像数据. 结合大气紫外辐射积分代码（Atmospheric Ultraviolet Radiance Integrated Code, AURIC）计算O135.6nm辐射数据、LBH辐射光谱以及MSISE00大气模型计算的O、N2数据，给出了利用WAI观测的LBH辐射图像数据反演大气O/N2比值理论计算方法，该方法将为利用我国自主观测LBH辐射数据和O135.6nm辐射数据开展空间信息反演研究打下基础.     

真空紫外和软X线波段成像探测器

一、引 言 随着科学技术的发展,人类的观测范围从可见光扩展到红外、紫外和软X射线波段.例如,宇宙空间在在着大量紫外、X射线辐射源——恒星、河外星系、类星体等.通过对这些天体的研究,有助于了解天体的演化过程.由于地球大气的的吸收,这些紫外、X射线达不到地面,限制了人类对这些天体的了解.随着空间技术的发展,可以在地球大气层外探测来自天体的辐射,这就把人类的认识延伸到距离远达80亿光年的地方.而对紫外、软X射线敏感的高性能探测器,是实现这种观测的关键.又如在研究核聚变时,高温等离子体辐射的真空紫外和软X射线,能给出等离子体…     

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。     

远紫外光学遥感载荷在轨定标技术研究进展

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。     

一种新的高光谱图像中太阳耀斑去除方法

太阳耀斑掩盖了水体的真实物理特性,严重干扰了水下特征的获取.根据被耀斑污染的像素和邻近未污染像素问的辐射差值,获得大气组分的吸收特征.并调节大气辐射传输模型中的模型参量,进而得到大气透射率.分析了影响耀斑污染程度的主要因素,依据近红外波段离水辐亮度近似为零,求出水体受耀斑污染程度的空间分布,据此进行耀斑去除,得到未被耀斑污染的图像.结果表明,应用该方法提取离水辐亮度,去除耀斑的效果较好.     

中国区临近空间太阳辐射环境研究

临近空间(20~50km)航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提,然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。臭氧是影响高空辐射环境的关键因子,基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、季节变化特征进行了分析,发现其时空分布及演变具备区域性特点,同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域,确定不同区域关键参数值,利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。模拟结果显示受纬度、臭氧总量、垂直分布等影响,辐射值变化规律较为复杂。全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大,年较差则相反;大气的吸收作用与纬度、海陆差异有关,表现出不同的强度和季节变化特征;在紫外波段,南海上空辐射最强,年较差小,月较差很小且夏强冬弱,其他区域辐射值夏强冬弱,月较差呈双峰特征,春秋强,冬夏弱;大气的吸收作用受多因子影响,除南海外,各区域夏季辐射垂向差异更大;大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、7月高低空月振幅一致,其它月份辐射值在高层月较差更大。     

地球临边大气红外辐射中太阳散射数值研究

为分析太阳散射辐射在地球临边大气红外辐射中的作用,基于地球与临边大气辐射传输与太阳散射模型,利用MODTRAN计算了中纬度冬夏两季在3~14μm红外波段的大气各组成辐射。针对3~5μm和8~14μm波段,计算了在不同的太阳角度下各大气模式下太阳散射辐射值及其所占总辐射的比例。结果表明在20°左右太阳角度下太阳散射辐射最强,且纬度越高、温度越低太阳散射辐射越强。在短红外波段太阳散射辐射为中长波段的30倍,短红外波段太阳散射辐射所占总辐射比例较高,最高可达80%,在中长波段比例低于0.1%,可忽略不计。     

中高层OH自由基在紫外波段的临边散射辐射正演模拟与敏感性分析（英文）

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂,决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化,甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演,需要构造正演模型,模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0,0)309nm波段的太阳共振荧光发射信号。本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g,结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量,模拟出OH荧光发射光谱,叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数,最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation),SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。还分析了影响模拟结果的因素,在之后的正演过程中加以修正,使正演模型更接近实际辐射传输过程。     

中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8nm)和光谱分辨率优于0.01nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。     

空间辐射基准传递不确定性的光谱敏感性分析

空间辐射基准对卫星观测气候变化的研究具有重要意义,空间辐射基准的建立不仅可以提高卫星自身观测的相对精度,而且还能通过基准传递来满足其他卫星的在轨溯源需求,用于基准传递的空间高光谱基准遥感器的光谱分辨率对传递相对精度有重要影响。分别利用MODTRAN模式和AER LBL模式的模拟结果作为高光谱遥感器的太阳反射波段和地球热发射波段的代理数据,分析了光谱采样对光谱辐射观测结果的影响以及光谱采样差异引起的辐射基准传递的不确定性。考虑5种下垫面和6种大气条件,对比了不同光谱采样间隔下光谱辐射的差异,并利用敏感性实验的方法,以MERSI-II为目标遥感器,评估了空间辐射基准交叉传递的光谱不确定性。结果表明:光谱采样间隔越大,光谱辐射的差异越大,在气体吸收区、绝对辐射低信号区、近紫外太阳光谱暗线区的最大辐射差异可达100%;在大气窗区,当太阳反射波段的光谱采样间隔优于4nm时,基准传递的不确定性小于0.3%,当地球热发射波段光谱的采样间隔优于2cm-1时,不确定性可小于0.1K;在近紫外太阳光谱暗线区和气体吸收区,太阳反射波段的基准传递对光谱采样十分敏感,当采样间隔为4nm时,中心波长为1.38μm的通道的不确定性可达40%,当地球热发射波段在7.2μm水汽弱吸收区时,光谱采样间隔优于0.8cm-1才能满足不确定性小于0.1K的需求。     

中段弹头表面温度及辐射特性的计算研究

为研究中段弹头的表面温度及辐射特性,利用Lowtran7计算太阳和地球大气的红外与可见光辐射,依据粗糙表面光散射理论计算弹头对太阳、地球大气和地球反照辐射的吸收和散射。采用控制容积法发展了圆柱坐标系下三维非稳态导热的隐式离散方程,迭代求解得到弹头表面的温度。以一射程4000km的中段弹头为例,计算了发动机关机点后2000s内,弹头表面的温度和辐射的变化。     

中高层OH自由基在紫外波段的临边散射辐射正演模拟与敏感性分析

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂，决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化，甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演，需要构造正演模型，模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0，0) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g，结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量，模拟出OH荧光发射光谱，叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数，最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation)，SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。还分析了影响模拟结果的因素，在之后的正演过程中加以修正，使正演模型更接近实际辐射传输过程。     

高空核爆炸瞬发辐射电离效应的数值模拟

采用蒙特卡罗方法模拟了高空核爆炸瞬发辐射中子、γ射线、X射线电离大气的过程,给出了几种爆炸场景下瞬发辐射产生的附加电离电子密度空间分布.针对大气密度随高度非均匀连续变化的特性,采用质量距离抽样方法取代常用的步长抽样方法,无需根据大气密度随高度的变化进行分层处理,提高了计算效率.结果表明:对于不同的爆高,瞬发辐射电离分布存在显著的差异;随着爆高的增加,瞬发辐射附加电离区范围增大,但电子密度的峰值减小. 关键词： 高空核爆炸 瞬发辐射 大气电离 蒙特卡罗方法     

软X射线-真空紫外波段光谱光源研究

介绍长春光学精密机械与物理研究所进行的软X射线-真空紫外波段光谱光源研究工作。研制成功的壁稳氩弧光源光谱辐射稳定性和重复性达±0.3%,可作标准辐射源,用于真空紫外波段仪器光谱强度绝对辐射定标。研制成功的潘宁(Penning)光源、双等离子体光源和空心阴极光源,可以覆盖从十几个nm至几十nm波段范围,光谱辐射稳定性和重复性达±1.0%,提供不同工作气体在该波段的原子和离子线谱,用于光谱仪器的波长定标。所研制的激光等离子体光源,尤其是近期研制成功的无污染微液滴喷射靶激光等离子体光源,可以提供较高亮度的软X射线辐射,13.0 nm处激光-软X射线转换效率达0.75%／2π·sr／2%带宽,适合于光刻和该波段辐射计量研究。     

远紫外像增强器光谱响应特性研究

利用星载光学仪器对极光在远紫外波段进行形态探测是研究沉降粒子能量等空间环境参数的重要手段,而远紫外像增强器是进行空间极光远紫外形态探测仪器中所必不可少的光电成像器件,其性能的优劣将直接影响整个仪器的工作情况,其中光谱响应特性是像增强器的重要的特性之一。采用同步辐射真空紫外波段光作为光源,利用光电倍增管和硅光二极管分别测量同步辐射和像增强器光强,我们对研制的远紫外像增强器在135～250 nm波段范围进行了光谱响应测试,测试结果表明该器件在140～190 nm范围内有较好的响应,响应峰值在160 nm左右,符合远紫外极光成像探测的应用要求。     

临近空间紫外辐射环境及影响因素研究

临近空间的紫外辐射对天体生物学、飞行器材料等产生重要影响,为加深对其的认知,基于OH与O₃的光化学关系改变紫外辐射强度的原理,利用戈达德地球观测系统—化学模型对中国区域临近空间OH与O₃浓度的时空变化特性进行分析。根据OH和O₃浓度的变化,利用对流层紫外和可见光辐射传输模型对紫外B波段辐射进行模拟计算,揭示了高度在22～42 km之间的辐照度在3.43～16.15 W·m^-2之间;华北区域、华中和华南区域以及南海区域等的辐照度呈现出双峰和振荡相结合的特征,辐照度极值出现的月份在各区域并不一致;受O₃吸收作用影响,辐照度的年较差最大值2.29 W·m^-2出现在华北区域的32 km高度处,最小值0.53 W·m^-2为南海区域的42 km高度处;辐照度变化最为剧烈的情况均出现在22 km高度处,可达2.42%～32.79%。结果表明在不同条件下紫外辐射对天体生物、飞行器材料等的影响与作用程度存在很大差异,在开展相关的研究时须具有针对性。     

海洋水色卫星紫外波段的偏振特性分析

针对水色卫星遥感器的紫外波段,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型开展了355nm和385nm两个紫外波段大气顶(TOA)表观辐射的偏振特性分析。研究发现水色卫星紫外遥感器入瞳处光的偏振信号主要来源于大气分子散射,与仅考虑大气分子散射相比,气溶胶、水-气界面层和水体会减弱紫外遥感器入瞳处光的总偏振度(DOP)。在不同的大气顶观测方位下,上述两个波段紫外光的总偏振度变化范围在0%～70%之间。同水色卫星遥感器通常设置的412nm可见光波段相比,在同一条件下到达水色卫星紫外遥感器入瞳处的紫外光的偏振度变化不大。