“风云三号”D星电离层光度计

付利平，彭如意

（1.中国科学院国家空间科学中心；2.天基空间环境探测北京市重点实验室；3.中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室：北京 100190）

0 引言

卫星导航与定位、卫星通信、载人航天（包括空间站任务等）和许多地面人类活动都会受到电离层环境变化的影响，因此，发展电离层观测技术以对电离层环境信息进行有效获取，具有重要意义和广泛应用价值。

以天基方式对电离层进行远紫外光学遥感观测时，地表背景远紫外气辉辐射会受到氧分子的充分吸收，使得地表大气对观测的影响可以忽略，因此天基方式具有观测背景干净的突出优势，还可以实现全球覆盖，是观测电离层环境的重要方式之一。自20世纪70年代以来，国外陆续有大量卫星搭载了远紫外波段的载荷，包括成像仪、成像光谱仪、光度计等[1-3]，取得了诸多电离层环境观测结果。

“风云三号”D 星电离层光度计（ionosphere photometer,IPM）是我国首次搭载于天基平台、利用远紫外波段对电离层进行遥感观测的新型载荷。该光度计具有夜间观测灵敏度高的突出特点，同时具备空间分辨率高，体积、重量、功耗等资源占用少的优势；其配置有夜间和日间2种工作模式，可以实现对电离层关键环境信息的全天候监测。该光度计自2017年11月15日随“风云三号”D星成功发射入轨并开机以来，展现出良好的功能、性能状态，本文主要对其观测目标、观测原理、系统组成和在轨观测结果进行回顾及介绍。

1 观测目标及观测原理

1.1 观测目标

电离层光度计的主要目标是通过对电离层高度氧原子135.6 nm（OI 135.6 nm）夜间/日间远紫外气辉辐射及日间氮气分子LBH带（N2LBH 带）（140～180 nm）辐射强度的观测，反演获取夜间电子总含量（TEC）、F2层峰值电子密度（NmF2）、日间O/N2（密度比）等电离层环境参量，参见表1。

表1 电离层光度计观测目标Table 1 Detection targets of IPM

在电离层中，OI 135.6 nm 气辉辐射强度相对较强且具有光学薄的特性，利用该谱段对电离层物理信息进行观测能比较直接地反映电离层环境的变化，其反演算法相较邻近的130.4 nm 谱线更简单。OI 135.6 nm 夜间气辉辐射主要由夜间氧正离子与电子复合激发而产生；OI 135.6 nm 日间气辉辐射主要由光电子与氧原子碰撞激发而产生[4]。N2LBH带日辉辐射（127～240 nm）是电离层中所有远紫外辐射中最强的分子辐射，由光电子与氮气分子碰撞激发而产生[5]。

1.2 夜气辉观测原理

利用Chapman 函数[6]来表示OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与NmF2随高度的分布关系，有

式中：IOI135.6为电离层OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度，Rayleigh；K1为与光化学反应速率系数有关的常数[7]；Hkm为电离层等离子体标高，km。

电子总含量TEC与NmF2 随高度的分布关系可表示为

式中K2为与光化学反应速率系数有关的常数[7]。

根据式(1)、式(2)可知，NmF2的平方、TEC的平方均与OI 135.6 nm 远紫外夜气辉辐射强度存在线性关系，因此可以通过测得OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度，反演得到NmF2和TEC。

图1[8]给出模式计算的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与电离层NmF2平方的关系；图2[8]给出COSMIC/TIP实测的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与电离层NmF2平方的关系。

图1 模式计算的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与NmF2平方的关系Fig.1 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of NmF2 calculated by the model

图2 COSMIC/TIP 实测的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与NmF2平方的关系Fig.2 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of NmF2 measured by COSMIC/TIP

可以看出，正如式(1)所指出的，OI 135.6 nm夜气辉辐射强度与电离层NmF2的平方具有很好的线性关系。

图3[9]给出模式计算的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与TEC平方的关系。图4[8]给出TIMED/GUVI实测的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与TEC 平方的关系。可以看出，正如式(2)所指出的，OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与TEC的平方具有很好的线性关系。

图3 模式计算的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与TEC平方的关系Fig.3 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of TECcalculated by the model

图4 TIMED/GUVI实测的OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度与TEC平方的关系Fig.4 Relationship between nighttime OI 135.6 nm intensity and the square of TECmeasured by TIMED/GUVI

1.3 日气辉观测原理

电离层光度计的日间工作方式利用对OI 135.6 nm日气辉、N2LBH 带日气辉辐射的测量，可获得电离层高度的，其反演公式如下：

模式计算指出，OI 135.6 nm 日气辉辐射强度与N2LBH带日气辉辐射强度之比与太阳活动的相关性比较小，而与电离层的O/N2存在较好的线性关系，且这一比例关系与大气条件变化的相关性较小。图5[10]给出O/N2和OI 135.6 nm 日气辉辐射强度与N2LBH 带日气辉辐射强度之比关系的模式计算结果。利用这一结果和OI 135.6 nm 日气辉辐射强度与N2LBH 带日气辉辐射强度之比的测量数据，即可反演出日间电离层的O/N2。

图5 O/N2 和OI 135.6 nm 日气辉辐射强度与N2LBH带日气辉辐射强度之比的关系Fig.5 Relationship between the O/N2 and the ratio of the daytime OI 135.6 nm intensity/N2LBH intensity

2 载荷结构及工作原理

电离层光度计是小型化高灵敏度的光学遥感观测仪器，其采用高聚光能力的离轴抛物面镜并结合光子计数式光电倍增管（PMT），可以实现对电离层弱气辉辐射的测量[11]。

电离层光度计由探测头部和电控箱两部分组成[11]，其中探测头部主要包括聚光系统、滤光片系统、光电倍增管及其外围配置电路、前置放大甄别电路、电机系统相关电路；电控箱主要包括计数、控制、通信用FPGA 系统和供电电源。

电离层光度计的工作原理如图6所示[11]：一束多光子流信号经过聚光系统和滤光片轮后汇聚在BaF2晶体滤光片上，BaF2晶体滤光片对135.6 nm以下的短波杂散光有很好的截止作用，经BaF2滤光后，光信号最终到达PMT。滤光片轮上装载带通透射式滤光片，依次分别对135.6 nm、N2LBH 带波段进行观测，同时设置夜/日间杂散光通道，对带外长波杂散光进行观测；FPGA 根据前端位置传感器信息给出滤光片轮马达的驱动脉冲，以设置滤光片位置。PMT 接收到光信号后，会从其光阴极以一定概率（量子效率）发射光电子，光电子经过聚焦电极进入倍增极进行信号放大，最后在PMT 的阳极输出一系列幅值高低不同的电子流脉冲；这些电子流脉冲中，除了光信号转换形成的之外还包括噪声电子流脉冲，经负载电路转换成幅值高低不同的电压脉冲后输入到前置放大器；前置放大器对电压脉冲进行放大后输入到脉冲高度甄别器，以甄别光电信号脉冲和噪声脉冲——甄别器中鉴定阈值的设定依据是PMT输出信号的脉冲高度分布（pulse height distribution, PHD）。FPGA 计数器对甄别器鉴定出的光信号脉冲（TTL电平）进行计数，即获得光信号的强度。

图6 电离层光度计工作原理Fig.6 Working principle of IPM

电离层光度计设计了夜间和日间2种工作模式，工作模式的切换由模式切换电机来完成：

1）夜间工作模式是光度计的主工作模式，通过测量OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度，利用自研反演算法得到实测的夜间TEC与NmF2；

2）日间模式主要对OI 135.6 nm 日气辉辐射强度和N2LBH带日气辉辐射强度进行测量，利用自研反演算法得到日间O/N2。

“风云三号”D星电离层光度计日间光谱响应特性曲线如图7所示。

图7 电离层光度计日间光谱响应特性曲线Fig.7 Daytime spectral responseof IPM

3 在轨观测结果

“风云三号”D星电离层光度计于2017年11月27日开机，经过6个月在轨测试后正式交付使用，至今已在轨运行3年多，工作状态优良，成功实现了对电离层的夜间/日间连续观测，其观测数据已在国家卫星气象中心的“风云”卫星遥感数据服务网在线发布，并开放下载使用。本文给出该电离层光度计的初步观测结果，更详细的观测结果可以参考文献[12-13]，在轨实测电子密度结果参见文献[12]的图8，在轨实测电子密度与地面电离层垂直测高仪对比的结果可以参考文献[12]的图9。关于“风云三号”D星电离层光度计的TEC 实测结果，目前没有合适的参比对象，验证工作仍在继续进行。

图8是电离层光度计OI 135.6 nm 夜气辉观测结果，观测时间是春分点附近（2018年3月20日—24日），从图中可以清晰看到电离层光度计观测到的电离层赤道异常结构（EIA）。

图8 电离层光度计于春分点的OI 135.6 nm 夜气辉观测结果Fig.8 Radiance maps of nighttime OI 135.6 nm measured by the IPM on spring equinox (2018-03-20 to 2018-03-24)

图9是电离层光度计于2018年8月25—30日期间利用夜间工作模式监测到的夜气辉辐射强度对磁暴事件的响应结果。此次磁暴开始于8月25日，并于26日出现Dst 最小值（-175 nT），而此时对应电离层OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度有1个突增，表明电离层光度计能对磁暴引起的夜间电离层扰动进行有效观测，其观测数据可应用于磁层-电离层耦合研究。

图10是“风云三号”D星电离层光度计于2018 年8 月25—30日期间利用日间工作模式监测到的磁暴引起的电离层O/N2变化，从图中可见，25日的电离层O/N2分布比较均匀，26日的南、北半球电离层O/N2分布均自高纬向低纬方向出现明显的耗散结构并达到极值情况，其中北半球的O/N2下降了60%；重新恢复过程持续4天。这一观测结果表明，电离层光度计能对磁暴引起的日间电离层O/N2变化进行有效的全天候观测。

图9 电离层光度计监测到磁暴引起的电离层扰动Fig.9 Ionospheric disturbances caused by geomagnetic storms detected by the IPM

图10 电离层光度计监测到磁暴引起的电离层O/N2变化Fig.10 O/N2 changescaused by geomagnetic storms detected by the IPM

4 结束语

电离层光度计（IPM）搭载于“风云三号”D卫星发射成功并开机以来，利用我国自主开发的反演算法，得到了夜间电子总含量TEC、F2层峰值电子密度NmF2和日间氧氮比O/N2等电离层参量，获得了我国首幅电离层氧氮比图。相比较而言，国际上的COSMIC/TIP夜间观测受城市灯光、云尘散射月光的影响，日间观测受杂散光的影响严重，而“风云三号”D星电离层光度计能有效克服这些不利因素，实现全天候观测，尤其是夜间观测灵敏度较高，在轨3年多期间运行状态优良，观测数据已经得到国内外多家研究机构的使用和认可。