適用于微納衛(wèi)星的微型電離層光學探測器

彭吉龍，于 錢，馮桃君，易 忠,2，田東波，張 凱，聶翔宇，馬子良

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室：北京 100094）

0 引言

電離層對于衛(wèi)星通信、導航及GPS定位等有著重要影響，主要表現(xiàn)在無線電信號在電離層傳播時，路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會變化。對于GPS信號，在夜間當衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響造成的誤差約為5 m；而在日間正午前后，當衛(wèi)星接近地平線時，延遲誤差能達到 150 m[1-2]。

電離層對無線信號的影響主要來自于地球電離層的電子，國外IMAGE、TIMED以及COSMIC等衛(wèi)星實驗，證實了O+與電子的輻射復合過程產(chǎn)生的135.6 nm夜氣輝與電離層電子密度有關(guān)[3]。遠紫外輻射信息受地表及邊界層大氣復雜背景的影響較小，因此對135.6 nm大氣輝光的探測有助于研究夜間電離層結(jié)構(gòu)的變化。利用反射鏡加能量探測器的光度計方式，可以實現(xiàn)對電離層總電子含量的探測。我國的“風云三號”D星于2017年發(fā)射成功，搭載了國內(nèi)首次研制的電離層光學遙感探測器——電離層光度計。該電離層光度計采用反射鏡加光電倍增管的方式實現(xiàn)對135.6 nm夜氣輝的高靈敏度探測，并且利用電機控制濾光片的方式實現(xiàn)白天對N2LBH帶的探測，從而可以反演O/N2比。該光度計中的商用光電倍增管抗振加固，以及電機控制和濾光片轉(zhuǎn)動機構(gòu)等占用了較多的質(zhì)量和空間資源，功耗較大。

電離層全球覆蓋且動態(tài)變化，而單個電離層光度計所探測的視場有限，為了獲得高時空分辨率的電離層電子密度數(shù)據(jù)，需要有盡可能多的電離層光度計在不同的軌道平面對電離層進行探測。目前國際上正大力發(fā)展開發(fā)周期短、成本低的20 kg級微納衛(wèi)星平臺，可以快速實現(xiàn)多星星群探測模式，為空間環(huán)境探測提供了多種軌道搭載、獲得豐富數(shù)據(jù)的機會。

為適應(yīng)質(zhì)量和體積都在持續(xù)壓縮的微納衛(wèi)星平臺，需實現(xiàn)電離層光度計的低成本和輕量化，使其適應(yīng)大批量生產(chǎn)和搭載的需求。本文依據(jù)通過夜氣輝輻射強度測量反演電離層總電子含量的原理，研制了適用于微納衛(wèi)星的微型電離層光學探測器。

1 探測器工作原理

微型電離層光學探測器利用反射鏡收集OI 135.6 nm夜氣輝的輻射光子，聚集到光電探測器后轉(zhuǎn)化成電脈沖，然后通過對電脈沖的計數(shù)得到入射135.6 nm夜氣輝的強度信息，利用135.6 nm夜氣輝的強度信息可以反演出電離層總電子含量（TEC）。因此微型電離層光學探測器的組成包括反射鏡、濾光片、光電倍增管和配套的電子學電路。在電離層高度，OI 135.6 nm 夜氣輝輻射（hv）主要由 O+與電子的輻射復合過程產(chǎn)生，

只有很小一部分來自O(shè)+與O-的中和反應(yīng)[4]。

忽略中和反應(yīng)對OI 135.6 nm夜氣輝輻射強度的影響，135.6 nm夜氣輝體的發(fā)射率ε可簡化為[5]

式中：α為輻射復合速率；ne(z)和no+(z)分別為高度z處電子和O+的密度。若假設(shè)電子和O+的密度相等，則電離層探測器測量的OI 135.6 nm夜氣輝輻射強度I（單位：瑞利(Rayleigh)）可表示為

式中Zsat為衛(wèi)星軌道高度。若采用Chapman函數(shù)描述電子密度隨高度的分布，則式(3)可簡化為

式中：K1為和光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)；NmF2為電離層峰值電子密度；H為電離層等離子體標高。

電離層總電子含量的計算公式為

同樣假設(shè)電子密度隨高度的分布服從Chapman函數(shù)，可得

式中K2為和光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)[6-7]。由式 (4)、(6)可知，OI 135.6 nm 夜氣輝的輻射強度與TEC的平方呈正比。

綜上所述，在特定的時空及太陽活動指數(shù)的約束下建立TEC與OI 135.6 nm夜氣輝輻射強度的回歸關(guān)系，可以得到不同時空及太陽活動條件下的回歸系數(shù)[8-9]，再由實際的 OI 135.6 nm 夜氣輝輻射強度探測數(shù)據(jù)及相應(yīng)的回歸系數(shù)即可反演出TEC。

2 總體設(shè)計

微型電離層光學探測器利用電離層中原子氧夜氣輝輻射強度同峰值電子密度的關(guān)系，通過探測OI 135.6 nm夜氣輝輻射強度，反演電離層峰值電子密度。為實現(xiàn)微納衛(wèi)星的搭載需求，盡量壓縮探測器的資源占用，以“風云三號”衛(wèi)星電離層光度計為基礎(chǔ)，進行了以下改動設(shè)計：1）功能上保證實現(xiàn)135.6 nm夜氣輝探測以反演電離層參數(shù)，去掉白天探測O/N2的功能，可減少電機和濾光片轉(zhuǎn)動機構(gòu)；2）將反射鏡由玻璃材料改為易于做減重處理的鋁合金，既減小了反射鏡本體質(zhì)量，又可以和結(jié)構(gòu)一體化，大幅縮減結(jié)構(gòu)體積和整機質(zhì)量。采用鋁合金材料還利于批量化加工，滿足百顆級微納衛(wèi)星群低成本、快速布網(wǎng)的要求。

探測器整體包括鋁合金離軸拋物面反射鏡、BaF2晶體濾光片、日盲型探測器，以及配套的前放和鑒別器、分壓器、高壓電路等電子學電路。離軸拋物面鏡將入射的電離層氣輝輻射匯聚到拋物面鏡的焦點上，探測器放置在焦點位置，光路中的BaF2濾光片可濾除130.5 nm以下短波及雜散光的影響。通過光機結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計以及高靈敏電荷前放在高壓電源和衛(wèi)星平臺電磁環(huán)境下的抗干擾設(shè)計，可實現(xiàn)探測器光機、電路、傳感器一體化，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微型電離層光學探測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the micro ionospheric detector

中低緯地區(qū)夜間135.6 nm夜氣輝的輻射強度通常在幾十Rayleigh，弱時在0.1 Rayleigh以上。根據(jù)光電倍增管的特性，其暗計數(shù)約為7個，對于0.1 Rayleigh的極端情況，需滿足測量時的信噪比要求。根據(jù)COSMIC和“風云三號”衛(wèi)星電離層光度計的設(shè)計結(jié)果[10]，探測器靈敏度S達到150 count/(s·Rayleigh)時可以滿足電離層探測需求。此時即使對0.1 Rayleigh的弱光進行探測，仍可測得15個計數(shù)，達到2倍的探測信噪比。

探測器中光電倍增管量子效率由器件性能決定，根據(jù)產(chǎn)品說明和測試結(jié)果，在135.6 nm工作波段，光電倍增管量子效率均高于0.25，BaF2濾光片的透過率為0.4。探測器靈敏度的計算公式為

式中：106是1 Rayleigh輻射強度對應(yīng)的光子數(shù)；Q是光電倍增管量子效率；T是光度計濾光片的透過率；R是鏡面反射率；A是鏡面的光收集面積；Ω是儀器立體視場角。選取光學系統(tǒng)參數(shù)為反射鏡口徑 50mm、視場 3.5°×1.5°時，探測器的靈敏度滿足要求（＞150）。

按以上設(shè)計完成電離層探測器樣機（見圖2），其主要指標見表1。

圖2 電離層探測器樣機Fig.2 Prototype of the micro ionospheric detector

表1 電離層探測器主要指標Table 1 Technical specifications of the ionospheric detector

2.1 光學系統(tǒng)設(shè)計

為保證儀器的靈敏度，考慮單反射鏡系統(tǒng)，視場角設(shè)為3.5°，入瞳直徑設(shè)為50mm。

為保證儀器的小型化，分別采用球面、拋物面、高次非球面和自由曲面4種面型進行了設(shè)計和比較。從對4種面型的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果看，高次非球面和自由曲面對探測性能和儀器小型化的貢獻不大?？紤]各面型的加工難度，儀器設(shè)計最終選擇了加工和檢測技術(shù)都比較成熟的拋物面系統(tǒng)，其反射鏡光路如圖3所示。用仿真圖測技術(shù)對比3.5°視場角內(nèi)不同視場下的點列圖（見圖4），各視場對應(yīng)的像斑尺寸見表2。由表可見，在3.5°×1.5°的視場內(nèi)，探測器靶面上的光斑分布范圍為3.5mm×5mm，小于探測器 4mm×9mm 的窗口面積。

圖3 拋物面反射鏡光路示意Fig.3 Schematic diagram of optical design based on parabolic mirror

圖4 各視場下的點列圖Fig.4 Spot diagram from different field of views

表2 各視場對應(yīng)的像斑尺寸Table 2 Spot size corresponding to different field of views

2.2 反射鏡

傳統(tǒng)遠紫外光學系統(tǒng)采用熔融石英等玻璃反射鏡，不適合大批量加工；并且為滿足衛(wèi)星發(fā)射時的抗振要求，玻璃反射鏡需靠抗振結(jié)構(gòu)支撐，體積、質(zhì)量均較大。遠紫外光度測量時系統(tǒng)的成像質(zhì)量并不影響探測結(jié)果，因此可采用鋁質(zhì)材料代替玻璃制作反射鏡。加工完成后的鋁合金反射鏡如圖5所示。

圖5 鋁合金反射鏡Fig.5 The aluminum alloy reflecting mirror

相對于玻璃反射鏡，鋁質(zhì)反射鏡因為硬度較低，較難達到高的面型精度和粗糙度水平。對加工后的鋁反射鏡進行面型和粗糙度的檢測，測試結(jié)果見圖6。由圖可見，離軸拋物面反射鏡面型誤差峰谷值（PV）為 2.70λ（λ=632.8 nm）、均方根值（RMS）為 0.39λ；粗糙度均方根值為 1.427 nm。

圖6 鋁反射鏡檢測結(jié)果Fig.6 Inspection result of the aluminum alloy reflecting mirror

2.3 濾光系統(tǒng)

本探測器探測的有效波段為135.6 nm，而夜氣輝的主要輻射波除135.6 nm外，還包括240 nm以上的長波，以及130.5和102.4 nm等數(shù)條短波譜線[4]。通常可利用光柵或窄帶濾光片技術(shù)來濾除無關(guān)波段的入射光，但真空光柵和窄帶濾光片光學效率很低，理想情況在10%以下，無法滿足高靈敏度探測的要求。因此，本儀器中依靠MgF2窗口的日盲型傳感器和短波抑制濾光片的組合實現(xiàn)濾光功能，MgF2窗口的日盲型傳感器可以抑制200 nm以上的長波輻射，氟化物濾光片可以濾除130.5 nm及以下的短波輻射。氟化物晶體材料是真空紫外波段常用的透射材料，利用BaF2晶體可以實現(xiàn)對130.5 nm以下短波的抑制，并透過135.6 nm輻射（參見圖7）[11]。

圖7 BaF2 晶體透過率Fig.7 Transmittance of the BaF2 crystal

2.4 電子學設(shè)計

入射遠紫外光子經(jīng)反射鏡反射后到達光電倍增管光陰極，光陰極吸收光子并產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子在外電場的作用下被光電倍增管倍增極倍增，在陽極產(chǎn)生電荷云。最終，微弱氣輝輻射產(chǎn)生的離散光子在光電倍增管陽極產(chǎn)生離散的電荷云。探測器電子學部分的功能是將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，后續(xù)電路將對脈沖計數(shù)從而確定入射光子數(shù)量，得到相應(yīng)的信號光輻射強度。

電子學部分組成見圖8。

圖8 微型電離層光學探測器的電子學部分組成示意Fig.8 Block diagram of electronics part for the detector

選用電荷靈敏放大器A111完成電荷放大、成形和鑒幅。A111可檢測8×10-15C的電荷，對應(yīng)的電荷靈敏度約為5×104。高壓電源為光電倍增管提供900 V高壓，可提供106的增益，以保證光電倍增管輸出電荷不漏檢。

電荷檢測電路見圖9：光電倍增管陽極輸出經(jīng)交流耦合后輸入電荷靈敏放大器輸入端；電容一端通過電阻接地，以防止長時間后的電平漂移；前放將電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后整形為脈沖信號輸出；前放輸出接跟隨器增加驅(qū)動能力后輸出到衛(wèi)星計數(shù)接口。

圖9 電荷檢測電路原理Fig.9 Schematic of the pre-amplifier circuit

探測器輸出結(jié)果見圖10。從圖中可見脈沖幅值達5 V，可匹配標準的TTL和CMOS接口器件；脈寬約 500 ns，可計數(shù)頻率超過 1 MHz，滿足對于強氣輝的探測需求。

圖10 探測器輸出脈沖Fig.10 Output of the ionosphere detector

3 結(jié)束語

采用光學方式探測電離層參數(shù)是研究電離層環(huán)境探測的重要手段。原子氧遠紫外夜氣輝因為同電離層總電子含量的關(guān)系，成為探測電離層的關(guān)鍵途徑。微納衛(wèi)星是衛(wèi)星發(fā)展的重要方向，我國微納衛(wèi)星的數(shù)量也會越來越多，為有效利用微納衛(wèi)星平臺搭載機會，必須降低電離層探測載荷的質(zhì)量、體積等。本文介紹了采用鋁反射鏡的光機一體化設(shè)計實現(xiàn)遠紫外光度探測的技術(shù)，探測器質(zhì)量950 g，體積 114mm×75mm×100mm，實現(xiàn)了小型化，適合應(yīng)用在微納衛(wèi)星光學遙感探測中，獲取全球電離層高時空分辨率總電子含量分布，為空間環(huán)境、電離層物理研究，導航、短波通信服務(wù)提供數(shù)據(jù)。

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