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風云三號D星廣角極光成像儀:
八年攻關首次實現低軌大視場極光觀測
來源:中國氣象報 日期:2020年04月27日07:52

中國氣象報記者 李慧

  4月24日是中國航天日,2020年也是我國第一顆人造地球衛星東方紅一號成功發射50周年。在這特別的日子里,讓我們來回顧一下一款能反映風云衛星先進技術和水平的“新裝備”——風云三號D星廣角極光成像儀(以下簡稱極光成像儀)。

  極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一。在風云三號D星發射之前,我國一直在極區觀測極光。國家衛星氣象中心與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所合作,經過八年研發,順利研制出極光成像儀。風云三號D星于2017年11月15日成功發射后,我國首次實現在低地球軌道對極光進行大視場成像觀測。

  地磁活動狀態的“指示器”

  作為觀測歷史最為悠久的空間天氣現象之一,絢麗多彩的極光是由來自大氣層外的高能帶電粒子與高層大氣中的分子和原子碰撞產生的發光發亮現象。“極光發生的位置、形狀和亮度等信息可以反映地磁活動狀態。”國家衛星氣象中心風云三號空間天氣技術系統主任設計師李嘉巍說。

  極光的發光區域圍繞著地球磁極,向著太陽的一側略有壓縮,背向太陽的一側稍稍拉伸,呈現出卵形,因此又叫極光卵。相同地理緯度下北美和北歐的磁緯度較高,更容易觀測到極光,而我國的磁緯度較低,看到極光的機會相對較少。從地面上觀測極光受到視場范圍的限制,一般只能看到局部極光圖像,但從衛星上可以看到較為完整的極光卵,從而獲得更多重要信息。

  極光的背后是太陽風向地球系統的巨大能量輸入,觀測極光可以揭示磁層-電離層-高層大氣耦合中的一些現象,包括磁層亞暴、電離層擾動和高層大氣密度變化等。地磁擾動可影響磁測活動,電離層擾動會影響通信、導航和定位等無線電系統的運行和性能,引發通信中斷、信號延遲、定位精度降低等問題。此外,高層大氣密度變化會影響低軌航天器的運行。因此,極光觀測在空間天氣監測預警業務中具有重要作用。

  光子計數捕捉弱信號

  極光成像儀是風云三號D星新增載荷,通過在140~180納米波段對極光進行成像觀測,可獲取該波段極光的輻射強度和形態及其演化等信息。極光成像儀在遠紫外波段范圍工作,該波段的光波受到大氣的強烈吸收影響,從地面上無法看到,只能從衛星上進行觀測。

  由于極光的輻射強度很弱,一般CCD(電荷耦合器件)無法監測這么弱的信號,而極光成像儀可以采用光子計數的方式來監測極光。極光的輻射強度單位是瑞利,每平方厘米每秒每個立體角只有100個光子,一般的儀器很難統計這么弱的信號,只能用微通道板采用光子計數的方式,逐個記錄每個光子的位置信息,最后通過地面系統處理得到極光圖像。

  低軌道大視場成像觀測

  以往對極光全局進行成像觀測大多是在幾個地球半徑的高度進行,這樣做有兩點好處:一是衛星運行高度較高,能夠對極光進行連續觀測的時間也相對較長,可以看到極光較完整的變化過程;二是在較高的高度觀測所需的視場張角較小,硬件技術實現和后續處理相對簡單。

  “衛星運行高度高,儀器捕捉的信號就會變弱,成像的清晰度就會變低。風云三號D星是低軌衛星,能夠捕捉到極光的更多信號,從而觀測到更多細節信息。”極光成像儀載荷責任人于超說。

  極光成像儀的視場可達130°×130°,能夠看到較完整的極光卵圖像。然而,如此大的視場給儀器的研制帶來了相當大的困難,也給數據處理增加了較大難度。通過八年的研發,研究者終于解決了上述技術問題,在國際上首次實現低軌道大視場極光觀測。

  (來源:《中國氣象報》2020年4月27日三版 責任編輯:張林)



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