CN108710753A - 临近空间中子环境仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种临近空间中子环境仿真方法，本发明采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型，加速计算速度，缩短计算时间。

Description

临近空间中子环境仿真方法

技术领域

本发明涉及一种临近空间中子环境仿真方法。

背景技术

随着空间概念的不断扩展，人们开始认识到临近空间区域(海拔高度： 20km～100km之间的空间区域)目前还是人类尚未涉足的空白区域。在这样的空间区域，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度，对于情报收集、侦察监视、通信保障以及空地作战等，具有极大的发展潜力。

临近空间跨越多个大气分层，自然环境多变，环境因素复杂多变。特殊的环境特征为临近空间飞行器应用带来新的问题与困难，成为制约临近空间开发应用的重要因素。尤其是临近空间特有的中子环境能够诱发器件单粒子效应，对临近空间飞行器的高效、可靠工作构成严重威胁。

目前，飞行器实验探测和模型仿真是研究中子环境特征的主要技术途径。其中飞行器实验探测可获取准确的环境数据，实现对固定地点临近空间中子环境进行连续的观测，通常具有较好的时间分辨率和观测精度。

但是实验探测也有诸多缺陷，如观测的高度范围通常有较大限制，而且观测站点的分布也非常不均匀，由此获取的数据分散不连续。

为克服探测数据的这些缺陷，国际上基于试验探测技术所获取的大量实验数据，对数据进行再次开发，建立了中子环境计算机仿真模型。其中以日本原子能机构开发的Excel-based Program for calculating Atmospheric Cosmic-ray Spectrum(EXPACS)和英国QinetiQ公司开发的QinetiQ Atmospheric Radiation Model(QARM)模型为主流模型。日本的EXPACS模型垂直高度仅可达20km，英国的QARM模型垂直高度可达100km，但使用权限和使用频次受到了严格的限制。因此很难满足目前国内对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种临近空间中子环境仿真方法，能够满足目前国内对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求。

为解决上述问题，本发明提供一种临近空间中子环境仿真方法，包括：

对探测数据、模型及方法进行前期调研，所述调研的内容包括临近空间中子辐射的探测数据和对应的模型方法，其中，所述探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为待开发的计算模型中使用模型方法提供参考，所述模型方法的调研包括对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型；

建立计算模型，包括：采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型；

计算结果验证，包括将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性；

将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，以通过简单的操作完成各项计算，并对所述计算模型的计算结果以图形展示。

进一步的，在上述方法中，所述建立计算模型，包括：

采用Geant4工具包的planetocosmic程序来计算宇宙线质子和α粒子在地球空间中的输运过程。

进一步的，在上述方法中，所述planetocosmic程序的输入包括宇宙射线谱、大气模型、地磁场模型，输出为中子能谱。

进一步的，在上述方法中，所述宇宙射线谱采用CREME96(The Cosmic RayEffects on Micro-Electronics(1996version)模型。

进一步的，在上述方法中，所述大气模型采用NRLMSISE-00大气模型。

进一步的，在上述方法中，所述地磁场模型采用的是国际地磁参考场，磁层磁场采用的是Tsyganenko96模型。

进一步的，在上述方法中，采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型，包括：

得到宇宙线能谱，计算宇宙线粒子在磁场中的输运，得到宇宙线粒子在大气层顶的能谱；

计算不同高度的大气成分和密度；

利用蒙特卡罗程序计算单能质子和α粒子入射的条件下，大气层中产生的中子通量响应，得到响应矩阵；

对单能响应值进行累加进行能谱计算。

进一步的，在上述方法中，将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性，包括：

将所述计算模型的计算结果分别与QARM模型和探测数据进行对比，以验证模型计算结果的准确性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)涵盖高度范围更广

目前国外的相关软件在高度计算上分为两类，一类是面向航空中子环境的计算，主要计算高度为0～20km，一类是临近空间中子的计算，主要是50Km以上的中子谱的计算，本软件算法涵盖高度为0～100km的高度，覆盖高度范围广。

(2)能量覆盖区间更宽

国内仅有空间中心有相关的软件，其计算的中子最低能量为～1MeV，而本算法计算得到的中子能量下限为10-6MeV，覆盖的中子能量范围更宽。

(3)使用更简单

为了方便计算，本算法结合了不同太阳活动周期不同时间点的宇宙线入射谱模型，用户不需要再对入射宇宙线谱进行计算，便可得到相应参考点的中子谱；并显示了不同太阳活动周期对地面中子辐射环境的变化。

附图说明

图1是本发明一实施例的临近空间中子环境仿真软件开发技术途径图；

图2是本发明一实施例的程序建模计算思路图；

图3a是本发明一实施例的银河系宇宙射线中的质子的积分微分能谱图；

图3b是本发明一实施例的银河系宇宙射线中的α粒子的积分微分能谱图；

图4a是本发明一实施例的大气温度在0～100km高度的变化图；

图4b是本发明一实施例的大气密度在0～100km高度的变化图；

图4c是本发明一实施例的大气成分在0～100km高度的变化图；

图5是本发明一实施例的地球磁场图；

图6是本发明一实施例的响应矩阵计算流程图；

图7是本发明一实施例的中子能谱计算界面图；

图8是本发明一实施例的15km高度中子能谱比较图；

图9是本发明一实施例的20km高度中子能谱比较图；

图10是本发明一实施例的30km高度中子能谱比较图；

图11是本发明一实施例的与QARM微分能谱相对误差图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种临近空间中子环境仿真方法，包括：

(1)对探测数据、模型及方法进行前期调研

调研内容包括临近空间中子辐射探测数据和相关模型方法。探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为需开发的计算模型中使用模型方法提供参考。模型方法的调研可对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型。

(2)建立计算模型

0～100km高度的中子来源于宇宙线与大气层分子、原子的相互作用产生。目前大型软件的运算方法为蒙特卡罗方法，通过模拟辐射粒子外部宇宙线入射、在地磁场中偏转、进入大气层与大气层分子项目作用过程，最后可运算得到相应不同地理位置、不同时间段、不同高度的中子谱。由于全蒙特卡罗模拟对计算机要求高，而且单次运算耗费时间长，尤其是对空间辐射场的计算中，一般都是大型的并行服务器经过加速计算。为提高计算速度，拟采用如下方法进行建模，缩短计算时间：

采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性(密度、成分)，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据。

给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理计算模型。

(3)计算结果验证

将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性。

(4)软件封装

将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，可通过简单的操作完成各项计算，并对计算模型的计算结果以图形展示。

在此，针对目前仿真模型很难满足我国对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求，本发明设计研制了一款可覆盖高度为0km～100km任意经纬度和任意时间的中子环境分布计算机仿真模型。计算结果精度与国际EXPACS和 QARM模型以及实际探测数据在同一个量级。

本发明采用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立与蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型，加速计算速度，缩短计算时间。

本发明可采用C++语言将验证后的计算模型采用进行软件封装，形成友好界面，可通过简单的操作实现全球0km～100km高度瞬时中子谱计算、高度中子谱计算、区域中子谱计算和时间中子谱计算，并对计算结果以图形展示。

下面对本发明的具体实施方式作详细描述：

1.输运程序建模

本模型采用Geant4工具包的planetocosmic程序来计算宇宙线质子和α粒子在地球空间中的输运过程。建模思路如图2所示。从图2中可以看出， planetocosmic程序以Geant4运算核心为基础，进行扩展。根据程序思路和流程图，可以确定程序运行的主要扩展模块为：入射粒子和几何条件的设置，地磁场模型，大气层模型以及输出模块。

2.程序主要设置

上述程序的输入包括宇宙射线谱、大气模型、地磁场模型，输出为中子能谱。

2.1宇宙射线谱输入

本仿真计算模型对不同轨道高度的宇宙射线谱的计算采用CREME96(The CosmicRay Effects on Micro-Electronics(1996version)模型。CREME96模型是美国海军研究实验室宇宙射线物理组开发的一套软件，该软件主要应用于宇宙线对电子器件的影响。图3为计算得到的空间宇宙线谱中的质子(a)和α粒子(b)能谱，将该能谱作为主程序运算的输入能谱。

2.2大气模型

本仿真计算模型采用的是NRLMSISE-00大气模型(美国海军实验室标准大气模型)。该模型是由Picone和Hedin等学者在MSISE-90模型基础上发展而来，为当前国际通用的全球大气经验模型，可计算0～1000km高度的中性大气密度、温度等物理性质。它的输入参数包括了地理位置、高度、太阳射电常数 F10.7、时间等，在本项目所关心的0～100km高度大气的温度、成分、密度等随高度的变化如图4(a)(b)(c)所示。

2.3地磁场模型

在主程序计算过程中，地球磁场模型采用的是国际地磁参考场(IGRF)，磁层磁场采用的是Tsyganenko96模型。

IGRF模型是一个高斯球谐模型，是最精确的地磁场模型。高斯系数通过对地磁站、船舶磁力计和人造卫星的测量磁场数据计算得到。每五年，国际地磁和超高层大气物理学协会(IAGA)发布一套新的IGRF模型的高斯系数。先前的IGRF模型变成确定的地磁参考场(DGRF，definitive geomagnetic reference field)。在IGRF运算模型中，一定时间内的高斯系数通过对每五年公布的 DGRF/IGRF参数进行插值和外推得到。Tsyganenko96模型为地球磁层模型，为国际上标准的外源场模型。在IGRF和Tsyganenko96模型作用下，地球的磁场整体形状如图5所示。

3.计算过程处理

本仿真计算模型的蒙特卡罗计算采用的软件基于Geant4工具包的planetocosmic工具包，并在计算数据结果的基础上开发了如图6所示响应矩阵方法，具体过程如下:

3.1在整个中子响应函数矩阵计算过程中，首先需要得到宇宙线能谱，计算宇宙线粒子在磁场中的输运，得到宇宙线粒子在大气层顶的能谱。由于宇宙线能谱与太阳活动有关，这个粒子能谱随地理位置、时间、入射方向而变化；

3.2计算不同高度的大气成分和密度；

3.3利用蒙特卡罗程序计算单能质子和α粒子入射的条件下，大气层中产生的中子通量响应，得到响应矩阵；

3.4对单能响应值进行累加进行能谱计算。

由于大气层和宇宙线辐射环境均与时间、地理位置和太阳活动有关，因此，此时得到的响应函数矩阵将随着时间、地理位置和太阳活动的变化而变化。

4.计算结果处理模块

本仿真计算模型将大气层作为计算对象的敏感区域，在大气层从地面往 100km高度中不同的高度设置探测器。探测器的设置为梯度设置，与大气密度成正比，密度越大则设置密，密度越小则设置少。

输出的中子能量范围为10-6MeV～106MeV，计算并记录通过单位面积上述能量范围的中子通量。

5.计算结果

通过响应函数矩阵方法，可以计算得到不同条件(时间、地理位置、高度、太阳活动)下的中子能谱。具体计算界面见图7所示。

通过图7中的计算界面可以快速计算得到全球中子能谱随高度的变化，中子通量的时间分布和经纬度分布、一定时间周期内的累积通量和能量通量、中子通量极大值和极小值的位置及具体数值等。

6.模型验证

将本仿真计算模型的计算结果分别与QARM模型和探测数据进行对比，以验证模型计算结果的准确性。以南海(20°N,115°E)在不同高度的中子能谱进行比较，比较结果见图8、9、10、11南海点(20°N,115°E)在不同高度的微分通量对比及相对误差曲线图所示。

由中子能谱分布比较可以看出，本仿真计算模型计算结果与QARM模型计算结果符合较好，采用本模型的响应函数方法较响应矩阵方法得到的曲线更为光滑，微分能谱相对数据误差控制在一个量级以内，可满足我国对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求。

综上所述，本发明具有如下优点：

(1)涵盖高度范围更广

目前国外的相关软件在高度计算上分为两类，一类是面向航空中子环境的计算，主要计算高度为0～20km，一类是临近空间中子的计算，主要是50Km以上的中子谱的计算，本软件算法涵盖高度为0～100km的高度，覆盖高度范围广。

(2)能量覆盖区间更宽

国内仅有空间中心有相关的软件，其计算的中子最低能量为～1MeV，而本算法计算得到的中子能量下限为10-6MeV，覆盖的中子能量范围更宽。

(3)使用更简单

为了方便计算，本算法结合了不同太阳活动周期不同时间点的宇宙线入射谱模型，用户不需要再对入射宇宙线谱进行计算，便可得到相应参考点的中子谱；并显示了不同太阳活动周期对地面中子辐射环境的变化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，包括：

对探测数据、模型及方法进行前期调研，所述调研的内容包括临近空间中子辐射的探测数据和对应的模型方法，其中，所述探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为待开发的计算模型中使用模型方法提供参考，所述模型方法的调研包括对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型；

建立计算模型，包括：采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型；

计算结果验证，包括将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性；

将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，以通过简单的操作完成各项计算，并对所述计算模型的计算结果以图形展示。

2.如权利要求1所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述建立计算模型，包括：

采用Geant4工具包的planetocosmic程序来计算宇宙线质子和α粒子在地球空间中的输运过程。

3.如权利要求2所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述planetocosmic程序的输入包括宇宙射线谱、大气模型、地磁场模型，输出为中子能谱。

4.如权利要求3所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述宇宙射线谱采用CREME96(The Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics(1996 version)模型。

5.如权利要求3所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述大气模型采用NRLMSISE-00大气模型。

6.如权利要求3所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述地磁场模型采用的是国际地磁参考场，磁层磁场采用的是Tsyganenko96模型。

7.如权利要求3所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型，包括：

得到宇宙线能谱，计算宇宙线粒子在磁场中的输运，得到宇宙线粒子在大气层顶的能谱；

计算不同高度的大气成分和密度；

利用蒙特卡罗程序计算单能质子和α粒子入射的条件下，大气层中产生的中子通量响应，得到响应矩阵；

对单能响应值进行累加进行能谱计算。

8.如权利要求7所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性，包括：

将所述计算模型的计算结果分别与QARM模型和探测数据进行对比，以验证模型计算结果的准确性。