CN114076636A - 一种用于远紫外波段气辉探测的光度计及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于远紫外波段气辉探测的光度计及其探测方法，所述光度计包括离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管，所述离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管依次排序设置；其中，所述离轴抛物面反射镜表面镀远紫外带通反射膜；所述透射式带通滤光片的基底材料为MgF2晶体或LiF2晶体，在MgF2或LiF2晶体片表面镀多层膜，其中，多层膜膜材料为Al和MgF2；所述长波通滤光片为BaF2晶体窗口。该光度计可对135.6nm气辉辐射实现全天时、高灵敏度探测，既保证仪器的高灵敏度，又保证高带外抑制比和窄带测量，保证高精度探测数据的获取。
Description
技术领域
本发明涉及星载远紫外波段地球电离层、热层气辉探测及行星、深空探测技术领域，具体地，涉及一种用于远紫外波段气辉探测的光度计及其探测方法。
背景技术
远紫外波段(1000A-2000A)光学遥感是在卫星上获得空间环境参数如O、N2、O2等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、电离层电子密度TEC、电子密度廓线、等离子体含量、大气温度廓线、太阳EUV流量、能量粒子沉降等信息的重要探测技术，也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。
电离层是由于太阳极紫外线和X射线以及有磁层中沉降的高能粒子与地球上层大气的原子、分子相互作用使得大气发生电离而形成的，其是地球上空60km到1000km范围的大气电离区域。电离层的等离子体频率覆盖了长波、中波和短波的频率范围，因而对这些波段有很大的影响。它会影响短波通讯，中、短波广播，特别是短波的全球传播，以及用于特殊目的的长波传播，如全球长波导航信号等。因此研究电离层电子密度扰动具有极高的价值。
135.6nm波段是研究电离层的重要波段之一，如图1所示，夜间135.6nm波段的夜气辉辐射强度与电离层电子密度平方成正比关系，因此测量135.6nm气辉强度可以得到电离层电子密度；白天135.6nm辐射强度与电子产生和消亡有着极高相关性，通过测量白天135.6nm日气辉，同时对包括130.4nm、140-180nm氧、氮气辉测量，也可以获得中性大气成分如O、O2、N2的密度变化。因此，135.6nm是研究电离层比不可少的重要探测波段之一；同时包括月球、金星等大气中可包含135.6nm辐射存在，因此135.6nm波段对于深空探测也是非常重要的测量波段。此外，远紫外波段的H原子121.6nm辐射、O原子130.4nm辐射、N2分子LBH带辐射都是空间天气、电离层关注的主要波段。
远紫外波段辐射在地面上无法探测，因此对远紫外波段进行探测是卫星上光学遥感探测的独有探测手段。星载远紫外光学遥感仪器包括成像仪、成像光谱仪及光度计三种探测方式，光度计是小型化高灵敏度探测的代表性仪器，该类载荷所占卫星资源小，灵敏度高，对于探测小尺度、微弱信号变化是非常有优势的。
在对135.6nm进行测量时，光学设计上需要解决2个问题，一是长波杂散光，特别是200nm以上的长波杂散光，二是高精度的测量需要135.6nm测量带宽优于5nm。
远紫外波段的光谱探测，同时抑制长波杂散光的影响，通常采用光栅进行分光，配以CsI阴极的光电探测器，即采用光栅光谱仪的方法实现远紫外波段探测，美国DMSP系列卫星上的SSUSI仪器、TIMED卫星上的GUVI仪器等均由于采用光栅光谱仪设计方式抑制杂散光，但采用这种探测方式，仪器的灵敏度会大大降低，以GUVI为例，该仪器探测波段覆盖1150A-1900A,仪器空间分辨率为0.155°×0.85°，光谱分辨率为11A(中心)-36A(边缘)，在1356A处，仪器的灵敏度为0.115counts/s/R/pixel,即每1Rayleigh(1Rayleigh＝80000photons/s/cm2/sr)入射光在仪器每像素上，仪器输出计数为0.115counts，而且光谱仪载荷所占资源较大，通常在10-20kg以上。
高灵敏度的远紫外光度计的探测仪器研究主要以台湾COSMIC卫星上的电离层光度计(TIP,Tiny Ionospheric Photometer)为代表，该仪器测量波段是1356A和1400A-1900A，其中1400A-1900A波段仅在白天探测，1356A波段是全天候观测，仪器为空间分辨率为3.6°×3.6°。TIP夜间高灵敏度设计理念是利用夜间探测波段辐射谱线简单，夜气辉辐射特性如图4所示。
根据夜气辉辐射特性，测量1356A辐射，仅需要对130.4nm、121.6nm短波辐射及240nm以上的长波辐射进行抑制。COSMIC TIP设计时利用加热SrF2晶体至100℃，实现对1304A及以下波段的截至，利用日本滨松公司的R7511型CsI阴极光电倍增管实现对200nm以上辐射的抑制。因此夜间探测时，采用这种处理方法可以获得1356A气辉辐射探测。白天则是通过2mm厚的BaF2晶体窗口，实现对1400A及以上波段的探测，135.6nm的探测则是通过通孔测量，数据处理时减去BaF2小孔测量的LBH带的结果，最后获得135.6nm的辐射。TIP设计了挡板轮，轮上有4个位置：2个全开孔(缺省位置)、全闭合、1个带BaF2滤光片的小孔，利用电机驱动挡板轮到达相应的位置，实现对探测目标的检测，
TIP采用这种方式保证了仪器高的灵敏度，这一点仪器开机后立即体现；但随之而来的是仪器白天探测结果饱和，夜间探测受月光散射影响导致数据误差大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种用于远紫外波段气辉探测的光度计，及其探测方法，该光度计可对135.6nm气辉辐射实现全天时、高灵敏度探测的小型化光度计，既保证仪器的高灵敏度，又保证高带外抑制比和窄带测量，保证高精度探测数据的获取。
为达到上述目的，本发明提供一种用于远紫外波段气辉探测的光度计，包括离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管，所述离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管依次排序设置；其中，
所述离轴抛物面反射镜表面镀远紫外带通反射膜；
所述透射式带通滤光片的基底材料为MgF2晶体或LiF2晶体；
所述长波通滤光片为BaF2晶体窗口；
作为优选，所述离轴抛物面反射镜镀多层远紫外带通反射膜；离轴抛物面反射镜的基底材料为K9玻璃，进一步优选，离轴抛物面反射镜镀心波长为135.6nm的高反射窄带多层远紫外带通反射膜，实现对135.6nm±3nm的高反射，其他波段的抑制，其中，带通反射膜为本领域公知的，膜层层数根据要求进行特殊设计。
作为优选，所述离轴抛物面反射镜采用大F数设计。
作为优选，所述透射式带通滤光片厚度为1-2mm，直径为15-20mm，进一步优选，所述透射式带通滤光片选用中心波长为135.6nm透射式带通滤光片，135.6nm透射式带通滤光片厚度1mm，直径为15mm；透射式带通滤光片的基底材料为MgF2晶体或LiF2晶体，晶体片表面镀多层膜，在MgF2或LiF2晶体片表面镀多层膜，其中，多层膜的膜层材料为Al和MgF2，膜层层数根据要求进行特殊设计，如图4；实现对135.6nm波段透过，同时对其他波段抑制，135.6nm透射式带通滤光片带宽10nm，200nm以上长波抑制比至少105个量级。
作为优选，所述长波通滤光片为真空紫外级别BaF2晶体窗口，长波通滤光片厚度小于等于0.5mm，且不等于0。实现对130.4nm及以下短波辐射的抑制，同时135.6nm透过率大于0.4。
作为优选，所述光电倍增管为真空紫外波段光电倍增管，真空紫外波段光电倍增管采用CsI作为光阴级，实现135.6nm高量子效率，190nm以上波段的高抑制。
进一步优选，所述光电倍增管为日盲型真空紫外光电倍增管。
本发明提供一种所述用于光度计的探测方法，包括以下步骤：
在离轴抛物面反射镜上镀多层远紫外带通反射膜，经离轴抛物面反射镜一次滤光后的光辐射通过透射式带通滤光片，完成二次滤光，之后经长波通滤光片的BaF2晶体窗口，完成三次滤光，到达光电倍增管，得到探测结果。
作为上述探测方法的进一步优选，包括以下步骤：
大F数离轴抛物面反射镜，在离轴抛物面反射镜上镀中心波长为135.6nm的高反射窄带多层远紫外带通反射膜，经离轴抛物面反射镜一次滤光后的光辐射通过中心波长为135.6nm的窄带透射式带通滤光片，完成二次滤光，之后经长波通滤光片0.5mm厚的VUV级别BaF2晶体窗口实现三次滤光，到达小型真空紫外光电倍增管，得到探测结果。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、采用大F数设计，提高光能量收集效率；采用离轴抛物面反射+透射式带通滤光片+长波通滤光片+日盲光电倍增管方式，获取有用气辉信号，同时抑制长波大气后向散射辐射，可实现135.6nm气辉全天时高灵敏度、高精度探测。
2、本发明采用多滤光方式组合，保证135.6nm波段的高效率和窄带宽，同时将200nm以上的带外光抑制109以上。在保证光学性能的前提下，可实现小型化设计，在包括行星、深空探测方面有极大应用前景。
3、采用本发明设计方式，可以在1U体积内实现全天时的远紫外气辉探测，现有的1U以内的远紫外气辉探测仅具备夜间探测功能；；在工程实现上，仪器占用资源小，可靠性高，适合包括微纳卫星、小卫星、综合大卫星等各种类型卫星平台装载。
本发明主要改进点在于采用离轴抛物面反射镜与带通滤光片、CsI阴极探测器共同作用，以最小的资源占用，实现对远紫外135.6nm或其他波段的探测，同时实现9个量级的带外抑制比，将对太阳散射影响降到最低，实现远紫外气辉的全天时探测抑制带外光。
由于太空中波长大于200nm太阳散射光比远紫外波段的气辉辐射强9个量级，因此如何获得高的带外抑制比是远紫外探测载荷需要解决的问题。已有的探测方式有采用光栅分光方式实现探测、有采用利用差分测量方式解决带外光的问题。采用光栅分光的方式不可避免带来光学器件多从而增加光学损耗，降低仪器的信噪比，同时研制装调难度相对较大，资源占用高；采用差分测量的方式是由于带外抑制不够，导致部分200nm以上的长波辐射进入探测通道，从而影响数据精度，差分测量采用先测信号通道数据(含远紫外信号和200nm以上带外辐射)，再测200nm以上带外辐射，数据处理时将二者数据相减，从而得到远紫外信号值。差分测量适合2-3个波段同时探测，数据质量相对较差。
采用本发明所述的探测方式，仪器的体积可以控制在1U(10cm*10cm*10cm)以内，同时保证有高的光学效率。本发明给出的用例是对135.6nm波段的探测，空间探测常用的远紫外波段包括121.6nm、130.4nm、N2 LBH带也可采用同样的方式，仅再镀膜膜层厚度及层数设计上进行适当调整，均可实现小型化全天时探测。
附图说明
图1为现有技术中135.6nm夜气辉辐射强度与电离层电子密度TEC关系；
图2为本发明地球紫外辐射谱线；
图3为本发明光学结构示意图；
图4为本发明所采用的多层膜镀膜方式
图5为现有技术中135.6nm远紫外带通反射膜反射率结果；
图6为本发明135.6nm透射式带通滤光片透过率结果；
图7为本发明0.5mmBaF2晶体窗口透过率结果；
图8为本发明CsI阴极小型光电倍增管量子效率；
图9为本发明远紫外带通反射膜+透射式带通滤光片+BaF2晶体窗口+光电倍增管组合；
图10为本发明系统最终测量结果；
附图标记：
1、离轴抛物面反射镜；2、135.6nm透射式带通滤光片；3、0.5mmVUV级别BaF2晶体长波通滤光片；4、光电倍增管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明应用的对象是中科院空间中心研制的135.6nm小型电离层光度计，如图3-10所示，仪器通过其前置离轴抛物面反射镜(镀135.6nm带通反射膜)将100-800km高度大气辐射反射进入仪器内部，经过镀中心波长为135.6nm的透射式带通反射片发射后，经1片0.5mm厚的真空紫外级别BaF2晶体窗口长波通滤光片，滤除130nm以下的短波辐射，到达CsI阴极的光电倍增管上，仪器视场为3.5°*1.6°，测量结果见图9和图10，图9为仪器自身的光谱响应曲线，图10为带入实际气辉辐射分布特性后，仪器实际在轨的光谱响应曲线。
135.6nm波段小型光度计光路如图3所示，为减少光学损耗，仅采用1面离轴抛物面反射镜作为望远镜，实现对气辉辐射的收集。如图2所示的大气辐射首先到达经离轴抛物面反射镜，反射镜焦距76.2mm，F数为1.3，材料为K9玻璃，表面镀带通多层远紫外带通反射膜，反射特性如图5所示；大气辐射光经反射镜后一依次经透射式带通滤光片、长波通滤光片后，到达光电倍增管，所采用光电倍增管为日本滨松公司小型CsI阴极光电倍增管。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
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)
1.一种用于远紫外波段气辉探测的光度计，包括离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜、透射式带通滤光片、长波通滤光片和光电倍增管依次排序设置；其中，
所述离轴抛物面反射镜表面镀远紫外带通反射膜；
所述透射式带通滤光片的基底材料为MgF2晶体或LiF2晶体，在MgF2或LiF2晶体片表面镀多层膜，其中，多层膜的膜材料为Al和MgF2；
所述长波通滤光片为BaF2晶体窗口。
2.根据权利要求1所述的光度计，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜镀多层远紫外带通反射膜；离轴抛物面反射镜的基底材料为K9玻璃或石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的光度计，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜采用大F数设计。
4.根据权利要求1所述的光度计，其特征在于，所述透射式带通滤光片厚度为1-2mm，直径为15mm-20mm。
5.根据权利要求1所述的光度计，其特征在于，所述长波通滤光片为真空紫外级别BaF2晶体窗口，长波通滤光片厚度小于等于0.5mm。
6.根据权利要求1所述的光度计，其特征在于，所述光电倍增管为真空紫外波段光电倍增管，真空紫外波段光电倍增管采用CsI作为光阴级。
7.一种基于权利要求1-6任一所述光度计的探测量方法，包括以下步骤：
在离轴抛物面反射镜上镀多层远紫外带通反射膜，经离轴抛物面反射镜一次滤光后的光辐射通过透射式带通滤光片，完成二次滤光，之后经长波通滤光片的BaF2晶体窗口，完成三次滤光，到达光电倍增管，得到测量结果。
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Citations (3)
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| CN108613739A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-02 | 北京卫星环境工程研究所 | 适用于微纳卫星的轻小型电离层光度计 |
| CN111238637A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-06-05 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种星载电离层光度计 |
| CN111426380A (zh) * | 2019-01-10 | 2020-07-17 | 中国科学院国家空间科学中心 | 用于远紫外波段带外杂散光差分测量的滤光片轮及方法 |
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2020
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