适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器

彭吉龙，于 钱，冯桃君，易 忠,2，田东波，张 凯，聂翔宇，马子良

（1.北京卫星环境工程研究所； 2.可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

0 引言

电离层对于卫星通信、导航及GPS定位等有着重要影响，主要表现在无线电信号在电离层传播时，路径会发生弯曲，传播速度也会变化。对于GPS信号，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响造成的误差约为5 m；而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，延迟误差能达到 150 m[1-2]。

电离层对无线信号的影响主要来自于地球电离层的电子，国外IMAGE、TIMED以及COSMIC等卫星实验，证实了O+与电子的辐射复合过程产生的135.6 nm夜气辉与电离层电子密度有关[3]。远紫外辐射信息受地表及边界层大气复杂背景的影响较小，因此对135.6 nm大气辉光的探测有助于研究夜间电离层结构的变化。利用反射镜加能量探测器的光度计方式，可以实现对电离层总电子含量的探测。我国的“风云三号”D星于2017年发射成功，搭载了国内首次研制的电离层光学遥感探测器——电离层光度计。该电离层光度计采用反射镜加光电倍增管的方式实现对135.6 nm夜气辉的高灵敏度探测，并且利用电机控制滤光片的方式实现白天对N2LBH带的探测，从而可以反演O/N2比。该光度计中的商用光电倍增管抗振加固，以及电机控制和滤光片转动机构等占用了较多的质量和空间资源，功耗较大。

电离层全球覆盖且动态变化，而单个电离层光度计所探测的视场有限，为了获得高时空分辨率的电离层电子密度数据，需要有尽可能多的电离层光度计在不同的轨道平面对电离层进行探测。目前国际上正大力发展开发周期短、成本低的20 kg级微纳卫星平台，可以快速实现多星星群探测模式，为空间环境探测提供了多种轨道搭载、获得丰富数据的机会。

为适应质量和体积都在持续压缩的微纳卫星平台，需实现电离层光度计的低成本和轻量化，使其适应大批量生产和搭载的需求。本文依据通过夜气辉辐射强度测量反演电离层总电子含量的原理，研制了适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器。

1 探测器工作原理

微型电离层光学探测器利用反射镜收集OI 135.6 nm夜气辉的辐射光子，聚集到光电探测器后转化成电脉冲，然后通过对电脉冲的计数得到入射135.6 nm夜气辉的强度信息，利用135.6 nm夜气辉的强度信息可以反演出电离层总电子含量（TEC）。因此微型电离层光学探测器的组成包括反射镜、滤光片、光电倍增管和配套的电子学电路。在电离层高度，OI 135.6 nm 夜气辉辐射（hv）主要由 O+与电子的辐射复合过程产生，

只有很小一部分来自O+与O-的中和反应[4]。

忽略中和反应对OI 135.6 nm夜气辉辐射强度的影响，135.6 nm夜气辉体的发射率ε可简化为[5]

式中：α为辐射复合速率；ne(z)和no+(z)分别为高度z处电子和O+的密度。若假设电子和O+的密度相等，则电离层探测器测量的OI 135.6 nm夜气辉辐射强度I（单位：瑞利(Rayleigh)）可表示为

式中Zsat为卫星轨道高度。若采用Chapman函数描述电子密度随高度的分布，则式(3)可简化为

式中：K1为和光化反应速率系数有关的常数；NmF2为电离层峰值电子密度；H为电离层等离子体标高。

电离层总电子含量的计算公式为

同样假设电子密度随高度的分布服从Chapman函数，可得

式中K2为和光化反应速率系数有关的常数[6-7]。由式 (4)、(6)可知，OI 135.6 nm 夜气辉的辐射强度与TEC的平方呈正比。

综上所述，在特定的时空及太阳活动指数的约束下建立TEC与OI 135.6 nm夜气辉辐射强度的回归关系，可以得到不同时空及太阳活动条件下的回归系数[8-9]，再由实际的 OI 135.6 nm 夜气辉辐射强度探测数据及相应的回归系数即可反演出TEC。

2 总体设计

微型电离层光学探测器利用电离层中原子氧夜气辉辐射强度同峰值电子密度的关系，通过探测OI 135.6 nm夜气辉辐射强度，反演电离层峰值电子密度。为实现微纳卫星的搭载需求，尽量压缩探测器的资源占用，以“风云三号”卫星电离层光度计为基础，进行了以下改动设计：1）功能上保证实现135.6 nm夜气辉探测以反演电离层参数，去掉白天探测O/N2的功能，可减少电机和滤光片转动机构；2）将反射镜由玻璃材料改为易于做减重处理的铝合金，既减小了反射镜本体质量，又可以和结构一体化，大幅缩减结构体积和整机质量。采用铝合金材料还利于批量化加工，满足百颗级微纳卫星群低成本、快速布网的要求。

探测器整体包括铝合金离轴抛物面反射镜、BaF2晶体滤光片、日盲型探测器，以及配套的前放和鉴别器、分压器、高压电路等电子学电路。离轴抛物面镜将入射的电离层气辉辐射汇聚到抛物面镜的焦点上，探测器放置在焦点位置，光路中的BaF2滤光片可滤除130.5 nm以下短波及杂散光的影响。通过光机结构的轻量化设计以及高灵敏电荷前放在高压电源和卫星平台电磁环境下的抗干扰设计，可实现探测器光机、电路、传感器一体化，结构如图1所示。

图1 微型电离层光学探测器结构Fig.1 Structure of the micro ionospheric detector

中低纬地区夜间135.6 nm夜气辉的辐射强度通常在几十Rayleigh，弱时在0.1 Rayleigh以上。根据光电倍增管的特性，其暗计数约为7个，对于0.1 Rayleigh的极端情况，需满足测量时的信噪比要求。根据COSMIC和“风云三号”卫星电离层光度计的设计结果[10]，探测器灵敏度S达到150 count/(s·Rayleigh)时可以满足电离层探测需求。此时即使对0.1 Rayleigh的弱光进行探测，仍可测得15个计数，达到2倍的探测信噪比。

探测器中光电倍增管量子效率由器件性能决定，根据产品说明和测试结果，在135.6 nm工作波段，光电倍增管量子效率均高于0.25，BaF2滤光片的透过率为0.4。探测器灵敏度的计算公式为

式中：106是1 Rayleigh辐射强度对应的光子数；Q是光电倍增管量子效率；T是光度计滤光片的透过率；R是镜面反射率；A是镜面的光收集面积；Ω是仪器立体视场角。选取光学系统参数为反射镜口径 50mm、视场 3.5°×1.5°时，探测器的灵敏度满足要求（＞150）。

按以上设计完成电离层探测器样机（见图2），其主要指标见表1。

图2 电离层探测器样机Fig.2 Prototype of the micro ionospheric detector

表1 电离层探测器主要指标Table 1 Technical specifications of the ionospheric detector

2.1 光学系统设计

为保证仪器的灵敏度，考虑单反射镜系统，视场角设为3.5°，入瞳直径设为50mm。

为保证仪器的小型化，分别采用球面、抛物面、高次非球面和自由曲面4种面型进行了设计和比较。从对4种面型的优化设计结果看，高次非球面和自由曲面对探测性能和仪器小型化的贡献不大。考虑各面型的加工难度，仪器设计最终选择了加工和检测技术都比较成熟的抛物面系统，其反射镜光路如图3所示。用仿真图测技术对比3.5°视场角内不同视场下的点列图（见图4），各视场对应的像斑尺寸见表2。由表可见，在3.5°×1.5°的视场内，探测器靶面上的光斑分布范围为3.5mm×5mm，小于探测器 4mm×9mm 的窗口面积。

图3 抛物面反射镜光路示意Fig.3 Schematic diagram of optical design based on parabolic mirror

图4 各视场下的点列图Fig.4 Spot diagram from different field of views

表2 各视场对应的像斑尺寸Table 2 Spot size corresponding to different field of views

2.2 反射镜

传统远紫外光学系统采用熔融石英等玻璃反射镜，不适合大批量加工；并且为满足卫星发射时的抗振要求，玻璃反射镜需靠抗振结构支撑，体积、质量均较大。远紫外光度测量时系统的成像质量并不影响探测结果，因此可采用铝质材料代替玻璃制作反射镜。加工完成后的铝合金反射镜如图5所示。

图5 铝合金反射镜Fig.5 The aluminum alloy reflecting mirror

相对于玻璃反射镜，铝质反射镜因为硬度较低，较难达到高的面型精度和粗糙度水平。对加工后的铝反射镜进行面型和粗糙度的检测，测试结果见图6。由图可见，离轴抛物面反射镜面型误差峰谷值（PV）为 2.70λ（λ=632.8 nm）、均方根值（RMS）为 0.39λ；粗糙度均方根值为 1.427 nm。

图6 铝反射镜检测结果Fig.6 Inspection result of the aluminum alloy reflecting mirror

2.3 滤光系统

本探测器探测的有效波段为135.6 nm，而夜气辉的主要辐射波除135.6 nm外，还包括240 nm以上的长波，以及130.5和102.4 nm等数条短波谱线[4]。通常可利用光栅或窄带滤光片技术来滤除无关波段的入射光，但真空光栅和窄带滤光片光学效率很低，理想情况在10%以下，无法满足高灵敏度探测的要求。因此，本仪器中依靠MgF2窗口的日盲型传感器和短波抑制滤光片的组合实现滤光功能，MgF2窗口的日盲型传感器可以抑制200 nm以上的长波辐射，氟化物滤光片可以滤除130.5 nm及以下的短波辐射。氟化物晶体材料是真空紫外波段常用的透射材料，利用BaF2晶体可以实现对130.5 nm以下短波的抑制，并透过135.6 nm辐射（参见图7）[11]。

图7 BaF2 晶体透过率Fig.7 Transmittance of the BaF2 crystal

2.4 电子学设计

入射远紫外光子经反射镜反射后到达光电倍增管光阴极，光阴极吸收光子并产生光电效应发射光电子，光电子在外电场的作用下被光电倍增管倍增极倍增，在阳极产生电荷云。最终，微弱气辉辐射产生的离散光子在光电倍增管阳极产生离散的电荷云。探测器电子学部分的功能是将电荷信号转化为电压脉冲，后续电路将对脉冲计数从而确定入射光子数量，得到相应的信号光辐射强度。

电子学部分组成见图8。

图8 微型电离层光学探测器的电子学部分组成示意Fig.8 Block diagram of electronics part for the detector

选用电荷灵敏放大器A111完成电荷放大、成形和鉴幅。A111可检测8×10-15C的电荷，对应的电荷灵敏度约为5×104。高压电源为光电倍增管提供900 V高压，可提供106的增益，以保证光电倍增管输出电荷不漏检。

电荷检测电路见图9：光电倍增管阳极输出经交流耦合后输入电荷灵敏放大器输入端；电容一端通过电阻接地，以防止长时间后的电平漂移；前放将电荷转化为电压信号，然后整形为脉冲信号输出；前放输出接跟随器增加驱动能力后输出到卫星计数接口。

图9 电荷检测电路原理Fig.9 Schematic of the pre-amplifier circuit

探测器输出结果见图10。从图中可见脉冲幅值达5 V，可匹配标准的TTL和CMOS接口器件；脉宽约 500 ns，可计数频率超过 1 MHz，满足对于强气辉的探测需求。

图10 探测器输出脉冲Fig.10 Output of the ionosphere detector

3 结束语

采用光学方式探测电离层参数是研究电离层环境探测的重要手段。原子氧远紫外夜气辉因为同电离层总电子含量的关系，成为探测电离层的关键途径。微纳卫星是卫星发展的重要方向，我国微纳卫星的数量也会越来越多，为有效利用微纳卫星平台搭载机会，必须降低电离层探测载荷的质量、体积等。本文介绍了采用铝反射镜的光机一体化设计实现远紫外光度探测的技术，探测器质量950 g，体积 114mm×75mm×100mm，实现了小型化，适合应用在微纳卫星光学遥感探测中，获取全球电离层高时空分辨率总电子含量分布，为空间环境、电离层物理研究，导航、短波通信服务提供数据。

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