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。     

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.     

氟化钡晶体真空紫外透过率温度特性研究

真空紫外波段存在几个可用于研究电离层物理现象的重要光谱,其中135.6nm的夜气辉是重要的探测谱段,通过对该波段辐射强度的探测可反演出电离层电子密度(TEC)及F2层峰值电子密度。夜气辉发射线中,130.4nm的发射线与135.6nm光谱间隔很近,发射强度与135.6nm强度相当,因此,要实现对135.6nm夜气辉探测需要抑制130.4nm气辉辐射。分别对0.5和1mm厚的真空紫外级别的氟化钡晶体窗口透过率随温度变化特性进行研究,结果表明,氟化钡晶体的短波截止波长随温度的升高向长波方向偏移,在一定温度范围内,氟化钡晶体可以很好地抑制130.4nm辐射,并在135.6nm波段有较高的透过率。与国外相关文献所报道的通过加热SrF2晶体来抑制130.4nm辐射的方式相比,利用氟化钡晶体作为短波截止滤光片,可以将130.4nm的杂散光完全抑制,同时可以降低仪器功耗,对于电离层光学遥感探测有着重要的意义。     

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。     

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。     

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。     

多轴差分吸收光谱仪反演大气NO2的比对试验

为了满足卫星遥感产品地基验证平台中不同仪器观测数据一致性的要求, 2011年9月, 将3台不同设计方案、不同操作方式的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS) 集中在中国科学院大气物理研究所香河大气探测综合试验站, 进行了近20天的同步观测测试. 并对所有仪器统一观测方位角, 分别采用相同的紫外、可见光波段的特征吸收带及吸收截面进行NO₂柱浓度的反演试验. 系统的比对分析表明: 3台MAX-DOAS的反演误差大都保持在6%以内, 说明仪器性能良好, 比较稳定; 紫外波段的反演结果略小于可见光波段, 尤其在阴天, 这是由于两波段对分子及气溶胶散射的敏感性不同造成的; 以可见光波段的反演结果为标准, 对紫外波段的反演结果进行系统订正, 订正后的各组数据一致性非常好, 满足卫星大气成分NO₂柱浓度遥感产品不同地基验证站点数据稳定、一致的要求. 关键词： MAX-DOAS 2')" href="#">NO₂ 斜柱浓度 比对试验     

地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响

在卫星短波红外遥感二氧化碳的过程中, 表征地表特征的地表反照率是影响探测精度的重要参数之一. 针对温室气体二氧化碳高精度探测的需求, 本文研究了地表反照率对正演模拟光谱和反演近地面二氧化碳平均柱浓度XCO₂的影响. 模拟计算结果显示, 地表反照率数值增大时, 观察的光谱强度也相应增大, 并且在O₂-A波段造成的光谱差异比1.6 μm波段高出一个数量级, 即地表反照率在O₂-A波段的影响比较大. 选取了两个不同地表类型的实际观测光谱, 仅改变O₂-A波段和1.6 μm波段地表反照率数值, 得出草地点在O₂-A波段地表反照率达到0.25的误差时, 会给XCO₂的反演结果造成大于1%的相对误差, 而1.6 μm波段的地表反照率变化对XCO₂的反演结果造成的误差可以忽略不计, 说明了地表反照率在反演XCO₂过程中的重要性主要来自对O₂-A波段的影响. 此研究表明了地表反照率在卫星遥感温室气体过程中的重要性, 为提高遥感探测二氧化碳的精度提供了重要的理论依据和指导.     

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。     

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。     

天基电离层气辉成像仿真分析研究

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...     

A Physical Numerical Ionospheric Model and Its Simulation Results

This paper describes the construction of a one-dimensional time-dependent theoretical ionospheric model, which is based on numerical solution of continuity and momentum equations for O⁺, O₂⁺, N₂⁺, and NO⁺. The model is designed to have an option to incorporate the observational ionospheric characteristic parameters into the numerical model to indirectly determine the upper boundary condition when solving the transport equations of O⁺. A preliminary simulation result of the model when used to simulate the ionosphere during April 18 ～ May 10, 1998, which includes both quiet and disturbed periods, showed that the model constructed is able to reproduce the observational results reasonably well both for quiet and disturbed periods.     

13CH4分子v3振动带空气和氮气加宽系数温度依赖性研究

采用中红外波段连续可调谐二极管激光器和自行研制的低温吸收池, 测量了温度为296 K, 252 K, 213 K, 173 K时, 3.38 μm附近¹³CH₄分子的四条跃迁谱线的氮气和空气加宽光谱; 首次通过实验获得空气和氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数, 以及谱线加宽系数的温度依赖系数. 实验过程中, 利用Voigt线型对所测量的光谱进行拟合. 实验结果表明, 氮气和空气对¹³CH₄分子的碰撞诱导加宽系数随温度的降低而增大; 相同温度下, 氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数普遍大于空气加宽系数. 实验数据为地球和外星体大气遥感探测提供了依据.     

N2流量对N掺杂MgZnO薄膜结构和性能的影响

利用射频磁控溅射方法,使用Mg_{0. 04}Zn_0.96O 陶瓷靶材,选用不同流量比的氮气和氩气混和气体作为溅射气体,在石英基片上生长N掺杂Mg_xZn_1-xO合金薄膜。研究了氮流量比对薄膜组分、结构、形貌、电学性质和拉曼光谱的影响。结果显示：随着溅射气氛中氮流量比的增加,薄膜中Mg含量增加,薄膜表面颗粒尺寸减小,结晶质量变差,电阻率逐渐增大,导电类型发生转变。在氮流量比为20%时,获得了最好的p型导电薄膜。另外,随着氮流量比的增加,拉曼光谱中与N_O相关的位于272 cm^-1、642 cm^-1左右的振动峰逐渐增强,表明N_O的浓度随着氮流量比的加大而有所增加。     

胶州湾海域Landsat8/OLI数据处理中多种大气校正方法的评价

海洋水色遥感研究中,精确的水体遥感反射比R_rs(λ)光谱数据是应用海洋光学卫星数据反演海洋生物地球物理参数的关键。实际工作中,遥感反射比是根据遥感仪器接收到的辐亮度经大气吸收和散射校正、太阳距离以及太阳高度角校正后计算出来的。因此对卫星传感器数据进行大气校正是我们得到精确的水体遥感反射比光谱数据的关键因素之一,也是海洋水色遥感研究中的一个重要问题。胶州湾是黄海西部的一个半封闭海湾,是北温带海湾生态系统的重要代表,该海域内规划了大范围的海洋牧场养殖区域,水体生物光学性质复杂。Landsat是美国NASA的陆地卫星计划,最初是为了观测陆地而研发,但是其高空间分辨率(30 m)的优势在海洋遥感监测中表现突出,使得其成为卫星遥感监测河流、湖泊、内陆环湾等水体不可忽略的数据源之一。基于QA(quality assurance) Score光谱质量评价体系对Landsat8/OLI数据处理中五种大气校正算法在胶州湾海域的大气校正结果进行了评价分析。五种大气校正算法分别是NASA(National Aeronautics and Space Administration)标准近红外大气校正算法(Seadas采用为默认大气校正算法,记为Seadas Default);Acolite 默认大气校正算法—暗光谱拟合算法（dark spectrum fitting,记为Acolite DSF）;以及Acolite指数外推算法（exponential extrapolation）,根据算法中所使用波段的不同,分别记为Acolite SWIR, Acolite Red/NIR, Acolite NIR/SWIR。分析结果表明在胶州湾海域Seadas Default的大气校正算法得到的R_rs(λ)数据QA得分为1的概率（83.95%）要远大于Acolite DSF（49.66%）,Acolite SWIR（4.13%）,Acolite Red/NIR（7.25%）,Acolite NIR/SWIR（1.38%）四种大气校正算法。Acolite DSF大气校正算法优于Acolite SWIR,Acolite Red/NIR,Acolite NIR/SWIR。应用MODIS/Aqua卫星数据对Seadas Default大气校正算法和Acolite DSF大气校正算法处理Landsat8/OLI卫星数据得到的R_rs(λ)在443,483,561和655 nm的数据进行了对比分析,结果表明在各个波段的Seadas Default算法所得的大气校正结果都要优于Acolite DSF算法。据此,建议在胶州湾及其附近海域应用Landsat8/OLI数据进行遥感应用研究时以NASA标准近红外大气校正算法为首选。     

不同释放高度的化学物质的电离层扰动特性

在电离层释放H₂O, CO₂, H₂和SF₆等中性气体能导致释放区域电子损耗, 形成明显的人工电离层洞, 是电离层人工变态的重要而有效的手段之一. 本文在改进电离层化学物质释放三维动力学模型的基础上, 对不同释放量级的H₂O 和SF₆在不同释放高度下产生的电离层洞形态结构及其时空演化规律进行了系统对比研究, 探讨了释放高度对化学物质释放电离层扰动效果、电离层洞形态及其动力学特性等的影响, 并对其成因进行了分析. 关键词： 化学物质释放 电离层扰动 人工电离层洞 三维动力学模型