CN113189663B - 一种地球同步轨道电离层探测装置 - Google Patents

一种地球同步轨道电离层探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于空间光探测和星载探测装置技术领域，具体地说，是一种地球同步轨道电离层探测装置，所述装置包括：遮光罩、扫描组件、光学成像组件、探测器组件以及电子学控制组件；所述扫描组件和光学成像组件设置在箱体内；所述箱体顶部设有开孔，遮光罩设置在开孔处，且与箱体连通，形成光路；本发明提出的一种地球同步轨道电离层探测装置通过采用高次非球面离轴反射系统，增大了视场并提高了空间分辨率。

Description

一种地球同步轨道电离层探测装置
技术领域
本发明属于空间光探测和星载探测装置技术领域，具体地说，是一种地球同步轨道电离层探测装置。
背景技术
电离层是距离地面约60km-300km的大气层，存在大量的自由电子和离子。电离层的变化和人类航天活动密切相关。通信、广播、雷达定位都需要通过电离层反射或者透射电磁波信号，所以电离层的电子浓度以及分布直接影响信号的质量。当电子浓度较弱时，不利于电磁波信号的反射，所以有必要提前预报电离层的浓度变化，以便保障信息传达。
电离层也是空间科学研究的热点之一，其变化反应了地球磁场的变化以及太阳辐射的变化。因此，在研究太阳和地球之间的关系中，电离层探测是其中重要的方式之一。
目前，电离探测存在地基探测和空间探测两种方式。地基探测只能在安装基地准有限空域进行。空间探测可以利用卫星轨道的变化，获得全球电离层信息，但是也存在问题，例如重复周期5天作右。重复周期长给电离层天气预报带来很大困难，只能研究气候级预报，不能提供更高时间分辨率信息。
发明内容
本发明的目的在于，为了缩短电离层探测的时间周期，提高电离层的预报准确性，本发明提出一种地球同步轨道电离层探测装置，利用地球同步轨道平台凝视地球的特点，将探测时间分辨率由气候级提高到天气级。同时，为适应地球同步轨道平台距离地球远、杂光严重等问题，本发明也提出大视场、高灵敏度、高分辨率以及高杂光抑制比设计方案。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供一种地球同步轨道电离层探测装置，所述装置包括：遮光罩、扫描组件、光学成像组件、探测器组件以及电子学控制组件；所述扫描组件和光学成像组件设置在箱体内；所述箱体顶部设有开孔，遮光罩设置在开孔处，且与箱体连通，形成光路；
所述遮光罩，设置在扫描组件的上方，用于遮挡视场外的光线；
所述扫描组件用于改变光路方向，对观测目标进行大视场扫描，将视场内的气辉光学辐射信号反射至光学成像组件；
所述光学成像组件用于将气辉光学辐射信号成像到焦面处，其中，光学成像组件采用高次离轴三反结构；
所述探测器组件用于接收光学成像组件反射的光学辐射信号，并将光学信号转化为电子学信号；
所述电子学控制组件用于为探测器组件提供电源并存储、传输探测器组件的电子学信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述装置还包括支撑架；所述支撑架包括有4个支柱，支柱之间相连；支架的上方设置箱体，支架底部设置有电子学控制组件；探测器组件设置在支架上。
作为上述技术方案的改进之一，所述箱体的内部采用光学消光材料，所述光学消光材料为黑色喷漆，吸收系数大于0.98。
作为上述技术方案的改进之一，所述扫描组件可以旋转360°，每次步进0.9°，扫描时间小于0.1s，驻留时间0.2s-20s；
所述扫描组件包括多层介质膜反射镜、金属膜反射镜、反射镜框、压片、步进电机、编码器以及扫描组件支架；
所述多层介质膜反射镜的工作波段范围为135.6nm±5nm，或者140nm-160nm，或者160nm-180nm；在工作波段范围内的反射率大于0.8，在工作波段范围外的反射率小于0.1；
所述金属膜反射镜的工作波段为大于110nm，反射率大于0.8；
所述多层介质膜反射镜与金属膜反射镜分别安装在反射镜框两面，再通过压片固定；
所述步进电机用于提供动力，步进精度小于0.04°；
所述编码器用于检测扫描镜的位置，测量精度0.05°；
所述支架用于固定反射镜框、步进电机以及编码器。
作为上述技术方案的改进之一，所述光学成像组件包括第一反射镜组件、视场光阑、第二反射镜组件以及第三反射镜组件；
所述第一反射镜组件包括第一反射镜和第一反射镜框，第一反射镜固定于第一反射镜框；所述第二反射镜组件包括第二反射镜和第二反射镜框，第二反射镜固定于第二反射镜框；所述第三反射镜组件包括第三反射镜和第三反射镜框，第三反射镜固定于第三反射镜框；
所述视场光阑用于限制观测视场的大小，视场大小为12°x1.8°；视场光阑位于第二反射镜与第三反射镜之间；
作为上述技术方案的改进之一，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用偶次非球面面型；第一反射镜为凹型4级非球面，第二反射镜为凸型6级非球面，第三反射镜为凹型8级非球面；
第一反射镜与第二反射镜可以一次成像，成像位置位于视场光阑处。
作为上述技术方案的改进之一，所述地球同步轨道电离层探测装置的工作平台为地球同步轨道卫星，轨道高度36000km。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明提出的一种地球同步轨道电离层探测装置通过采用高次非球面离轴反射系统，增大了视场并提高了空间分辨率；
2)通过采用多层介质膜，提高了反射镜的反射率，增大了仪器的灵敏度；
3)通过四个多层介质膜与光电阴极组合，降低了带外光的透过率，提高信噪比；
4)通过采用视场光阑、遮光罩组合，降低了视场外杂光干扰。
附图说明
图1为本发明一种地球同步轨道电离探测装置外观图；
图2为本发明一种地球同步轨道电离探测装置剖视图；
图3为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的扫描组件外观图；
图4为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的第一反射镜组件外观图；
图5为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的第二反射镜组件外观图；
图6为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的第三反射镜组件外观图；
图7为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的光路图；
图8为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的光学传递函数图；
图9为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的光斑图；
图10为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的135.6nm多层介质膜反射率曲线；
图11为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的135.6nm全系统反射率曲线；
图12为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的140nm-160nm多层介质膜反射率曲线；
图13为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的140nm-160nm全系统反射率曲线；
图14为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的160nm-180nm多层介质膜反射率曲线；
图15为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的160nm-180nm全系统反射率曲线；
图16为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的宽视场方向点源透过率曲线；
图17为本发明一种地球同步轨道电离探测装置的窄视场方向点源透过率曲线；
图18为本发明一种地球同步轨道电离探测装置探测器组件的剖视图；
图19为本发明本发明一种地球同步轨道电离探测装置的电子学功能框图；
附图标记：
1、遮光罩，2、箱体，3、扫描组件，4、光学成像组件，5、探测器组件，6、电子学控制组件，7、支柱，8、多层介质膜反射镜，9、金属膜反射镜，10、反射镜框，11、压片，12、步进电机，13、编码器，14、扫描组件支架15、第一反射镜组件，16、视场光阑，17、第二反射镜组件，18、第三反射镜组件19、第一反射镜，20、第一反射镜框，21、第二反射镜，22、第二反射镜框，23、第三反射镜，24、第三反射镜框，25、氟化镁窗口，26、CsI阴极，27、MCP，28、荧光屏，29、耦合透镜，30、CMOS相机。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，本发明提出的一种地球同步轨道电离层探测装置：遮光罩1、箱体2、扫描组件3、光学成像组件4、探测器组件5以及电子学控制组件6。遮光罩1用于遮挡太阳光的进入。所述箱体2和支撑架用于固定扫描组件3、光学成像组件4、以及探测器组件5。所述扫描组件3通过旋转扫描镜改变光路方向，对观测目标进行大视场扫描。所述光学成像组件4用于将电离层的气辉光学辐射信号成像到焦面处。光学成像组件4的光学系统采用高次离轴三反结构。所述探测器组件5用于接收光学系统反射的光学辐射信号，并将光学信号转化为电子学信号便于信号处理。所述电子学控制组件6用于为探测器组件提供电源并存储、传输探测器组件的电子学信号。
如图2所示，所述箱体2为异形不规则结构，箱体的结构外部有4个支柱7，支柱之间相连，增强强度。箱体的结构内部固定扫描组件3、光学成像组件4。
如图2所示，所述扫描组件3包括多层介质膜反射镜8、金属膜反射镜9、反射镜框10、压片11、步进电机12、编码器13以及扫描组件支架14。
所述多层介质膜反射镜8可以反射一定带宽的波段，波段范围为135.6nm±5nm，或者140nm-160nm,或者160nm-180nm。在工作波段内的反射率大于0.8，在工作波段以外的反射率小于0.1。
所述金属膜反射镜9工作波段为大于110nm，反射率大于0.8。金属膜反射镜主要作用为规避太阳的照射，避免午夜前后的阳光照射到光学系统内部，所以在规避工作模式下，金属膜反射镜转动，使得反射镜正对出射口，这样所有进入的光线按照原路返回。
多层介质膜反射镜8与金属膜反射镜9分别安装在反射镜框10两面，两个反射镜背对背相靠，通过光学胶粘接固定与反射镜框10，在利用压片11进行限位固定。
扫描组件3可以实现360°旋转，扫描组件3由步进电机12驱动，每次扫描0.9°，步进精度小于0.04°。扫描时间小于0.1s,驻留时间0.2s-20s。扫描镜一端连接磁阻型码盘，监测扫描镜的绝对位置，定位精度0.05°。
所述多层介质膜反射镜8和金属膜反射镜9(包括所有转动部分零件)绕轴的转动惯量为J＝250kg.mm2,反射镜的最大角加速度为15.7mrad/s2，则反射镜组件的转动力矩为:TJ＝3.9mN.m。
多层介质膜反射镜8和金属膜反射镜9的摩擦力矩主要是由轴承预紧力引起的，此处的润滑方式是为脂润滑，摩擦系数小，因此电机处的摩擦力矩可暂不考虑。
不平衡力矩TJ′＝1/3TJ＝1.3mN.m。
经上述计算，多层介质膜反射镜和金属膜反射镜的所需起动力矩：T＝TJ+Tf+TJ′＝5.2mN.m，安全系数取5，则需输入转矩需大于26mNm。
所述扫描组件支架14用于固定反射镜框10、步进电机12以及编码器13。
如图4-7所示，所述光学成像组件4包括第一反射镜组件15、视场光阑16、第二反射镜组件17以及第三反射镜组件18。所述第一反射镜组件15包括第一反射镜19和第一反射镜框20。第一反射镜19通过胶粘固定于第一反射镜框20。所述第二反射镜组件17包括第二反射镜21和第二反射镜框22；第二反射镜21通过胶粘固定于第二反射镜框22。所述第三反射镜组件18包括第三反射镜23和第三反射镜框24。第三反射镜23通过胶粘固定于第三反射镜框24。所述视场光阑16用于限制观测视场的大小，并起到抑制杂光的作用。
如图7所述，光学成像组件4采用了在离轴三反系统，所有反射镜采用偶次非球面面型。其中第一反射镜19为凹型4级非球面，第二反射镜21为凸型6级非球面，第三反射镜23为凹型8级非球面。第一反射镜19与第二反射镜21可以实现一次成像，成像位置位于视场光阑16处。由于该结构具备一次像面，可有效抑制杂光。为了保证成像质量，采用了所有反射镜采用了高次非球面。非球面的个数越多，成像质量越高，但加工难度上升。在对光学系统的优化过程发现，采用3个二次曲面系统很难达到高的成像质量，不能满足设计要求；采用3个高次非球面可以实现更高的成像质量，但相对加工和检测难度，会增加成本和时间。最终优化结果显示，第一反射镜19为4级非球面，第二反射镜21为6级非球面，第三反射镜23为8级非球面，这种搭配平衡了成像质量和加工难度。所述光学成像组件总视场为12°*1.8°，空间分辨率为0.08°。
非球面表达式是关于描述表面面型的公式，如下
Figure BDA0003005883630000061
其中z表示表面矢高；c表示曲率；k表示二次项系数(如k＝-1时表示抛物面)；A,B,C,D,E分别表示4次，6次，8次，10次，12次高次项系数，以此类推。
表1案例1采用的非球面参数
Figure BDA0003005883630000062
如图8-9所示，光学成像组件4可实现的成像质量高。从传递函数曲线可知，在5lp/mm的MTF值大于0.9。从光斑曲线可知，所有视场的光斑半径都小于10μm；即使离焦0.1mm，光斑直径仍小于30μm。
所述地球同步轨道电离层成像仪的光学设计的另一难度在于：带外波长的抑制和视场外杂散光抑制。
带外波长的抑制通过多个滤光片组合实现。远紫外电离层成像仪探测目标的选取和杂散光的抑制通过反射镜特殊镀膜以及探测器氟化镁窗口25材料以及光阴极材料共同完成。为了保证仪器探测灵敏度，反射镜应保证在目标波段高的反射率，同时对其它波段特别是长波波段有尽可能地抑制，使仪器具有获得对探测目标高通量获取和抑制杂散光的能力；另外，增强型二维探测器选用日盲型CsI光阴极26，进一步保证在目标波段有高的探测效率，同时抑制短波和长波的杂散辐射。
如图10-15所示，所述多层介质膜反射镜8可以反射一定带宽的波段，波段范围为135.6nm±5nm，或者140nm-160nm,或者160nm-180nm。在工作波段内的反射率大于0.8，在工作波段以外的反射率小于0.1。四个反射镜和窗口组合后带外透过率小于10-4。
视场外杂光的影响机制主要通过机械零件和光学零件的表面的散射或反射后进入探测器，从而形成背景噪声。抑制杂光的方式主要通过光路遮挡、多次散射降低能量和消光材料吸收能量等方式，具体设计主要体现在以下几种方式：
视场光阑：在一次焦面和二次焦面处设置了视场光阑，可以有效的抑制杂光。这种方式是杂光的首先方案。
遮光罩1：在光学系统前段设置遮光罩可将一部分视场外的光线遮挡，遮挡的能力取决于遮光罩的张角和长度，张角越小且长度越长，杂光抑制效果越好。
挡光光阑(视场光阑16)：在传输路径中合理的设置光阑，可以增加光线的散射次数，散射次数越多，到达像面的能量越弱。
消光材料：消光材料可以将接受的光部分吸收，好的消光材料可以达到99％。
如图16-17所示，本发明提出的一种地球同步轨道电离层成像装置的12°x1.8°视场以外点源透过率曲线，表征了光学系统对于无穷远处一点的能量透过率。从曲线可知，视场外的透过率小于10-5，并随着视场的增大，透过率更低。
如图18-19所示，所示探测器组件以及电子学控制组件的作用为收集光学成像组件会聚的信号，并做处理和传输。
所述探测器组件要对电离层辐射进行连续成像探测，其强度变化范围在10R-4KR之间。普通的成像器件在真空紫外波段效率较低，只有增强型探测器才能满足信号探测需求。目前国际上均采用基于MCP27的增强型CMOS相机30/CCD成像探测器件，即像增强型面阵探测器，考虑到CMOS相机30与CCD相比，具有控制电路简单、抗辐照能力强的特点，因此，本发明仪器拟选用基于MCP27+耦合透镜29+CMOS相机30的增强型成像探测器(ICMOS)。
所述电子学组件包括三路输出可调高压电源、以及一套CMOS相机30控制电路两部分组成。其中三路输出可调高压电源为CsI阴极26、MCP27及荧光屏28提供高压输入，实现电子倍增，并且三路高压电源输出电压均可调节，从而实现像增强器增益可调功能，提高探测动态范围，补偿衰减。CMOS相机30控制电路主要用于产生CMOS图像传感器时序控制信号，调节CMOS图像传感器曝光时间，控制成像区域范围等。
三路高压输出需求
阴极 -300V(正常工作电压) 100nA(最大电流)
荧光屏 8000V(正常工作电压) 1uA(最大电流)
MCP 2500V(最大工作电压) 100uA(最大电流)
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述装置包括：遮光罩、扫描组件、光学成像组件、探测器组件以及电子学控制组件；所述扫描组件和光学成像组件设置在箱体内；所述箱体顶部设有开孔，遮光罩设置在开孔处，且与箱体连通，形成光路；
所述遮光罩，设置在扫描组件的上方，用于遮挡视场外的光线；
所述扫描组件用于改变光路方向，对观测目标进行大视场扫描，将视场内的气辉光学辐射信号反射至光学成像组件；
所述光学成像组件用于将气辉光学辐射信号成像到焦面处，其中，光学成像组件采用高次离轴三反结构；其中，
所述光学成像组件包括第一反射镜组件、视场光阑、第二反射镜组件以及第三反射镜组件；
所述第一反射镜组件包括第一反射镜和第一反射镜框，第一反射镜固定于第一反射镜框；所述第二反射镜组件包括第二反射镜和第二反射镜框，第二反射镜固定于第二反射镜框；所述第三反射镜组件包括第三反射镜和第三反射镜框，第三反射镜固定于第三反射镜框；
所述视场光阑用于限制观测视场的大小，视场光阑位于第二反射镜与第三反射镜之间；
所述探测器组件用于接收光学成像组件反射的光学辐射信号，并将光学信号转化为电子学信号；
所述电子学控制组件用于为探测器组件提供电源并存储、传输探测器组件的电子学信号。
2.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述装置还包括支撑架；所述支撑架包括有4个支柱，支柱之间相连；支架的上方设置箱体，支架底部设置有电子学控制组件；探测器组件设置在支架上。
3.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述箱体的内部采用光学消光材料，所述光学消光材料为黑色喷漆，吸收系数大于0.98。
4.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述扫描组件可以旋转360°，每次步进0.9°，扫描时间小于0.1s，驻留时间0.2s-20s；
所述扫描组件包括多层介质膜反射镜、金属膜反射镜、反射镜框、压片、步进电机、编码器以及扫描组件支架；
所述多层介质膜反射镜的工作波段范围为135.6nm±5nm，或者140nm-160nm，或者160nm-180nm；在工作波段范围内的反射率大于0.8，在工作波段范围外的反射率小于0.1；
所述金属膜反射镜的工作波段为大于110nm，反射率大于0.8；
所述多层介质膜反射镜与金属膜反射镜分别安装在反射镜框两面，再通过压片固定；
所述步进电机用于提供动力，步进精度小于0.04°；
所述编码器用于检测扫描镜的位置，测量精度0.05°；
所述支架用于固定反射镜框、步进电机以及编码器。
5.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，
所述视场光阑的视场大小为12°x1.8°；视场光阑位于第二反射镜与第三反射镜之间。
6.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用偶次非球面面型；第一反射镜为凹型4级非球面，第二反射镜为凸型6级非球面，第三反射镜为凹型8级非球面；
第一反射镜与第二反射镜可以一次成像，成像位置位于视场光阑处。
7.根据权利要求1所述的地球同步轨道电离层探测装置，其特征在于，所述地球同步轨道电离层探测装置的工作平台为地球同步轨道卫星，轨道高度36000km。
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