中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀的制作方法
【專利摘要】一種中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀，具有準(zhǔn)直分離器，電離室，分析器，微通道板，陽極，電流計；準(zhǔn)直分離器、電離室、分析器為直接連接，準(zhǔn)直分離器的出口即為電離室的入口，電離室2的出口即為分析器的入口，分離器的出口與微通道板正面相對但空間隔離，微通道板的背面與電極正對但空間隔離，電極與電流計電連接。
【專利說明】中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀，屬于空間探測領(lǐng)域，主要應(yīng)用 于大氣空間環(huán)境建模、中高層大氣科學(xué)研究、衛(wèi)星軌道預(yù)報等。

【背景技術(shù)】：
[0002] 中高層大氣參數(shù)的探測目前主要有幾種方法：
[0003] 1.中頻（MF)雷達、甚高頻（VHF)雷達和流星雷達
[0004] MF雷達、甚高頻雷達和流星雷達都能夠測量中間層和低熱層的風(fēng)廓線。中頻雷達 可用于測量60?IOOkm大氣風(fēng)場及電子密度。60-100km高度屬于電離層D區(qū)和E區(qū)的下 部，電子與中性大氣成分之間的碰撞頻率較高，電子與中性大氣運動速度是一致的。利用等 離子體對電磁波的反射及多普勒效應(yīng)測量電子運動速度，可以得到中性大氣風(fēng)場。
[0005] VHF雷達是利用清澈空氣的回波來獲取大氣結(jié)構(gòu)的信息，是當(dāng)前國際上可靠的全 天候地面無線電遙感測風(fēng)設(shè)備。它的主要功能是測量2?30km以及60?90km的三維大 氣風(fēng)速。
[0006] 流星雷達的技術(shù)基礎(chǔ)是流星通過大氣燒蝕產(chǎn)生的尾跡中含有大量的自由電子可 以對垂直于尾跡傳播的無線電波產(chǎn)生強的散射回波。流星雷達可探測中層和低熱層的大氣 風(fēng)場和溫度等參數(shù)。
[0007] 2?激光雷達
[0008] 利用激光雷達回波，可獲取地球上空30?IlOKm高度范圍大氣密度和溫度的空間 結(jié)構(gòu)和時間變化。根據(jù)激光束與大氣的作用機制不同，又可分為瑞利散射激光雷達、Raman 散射激光雷達、共振熒光散射激光雷達、差分吸收激光雷達和多普勒激光雷達等。不同的激 光雷達可以測量不同的大氣參數(shù)，包括大氣密度、溫度、臭氧含量、大氣衰減、能見度等。 [0009] 3?掩星探測
[0010] 掩星探測地球大氣被認(rèn)為是當(dāng)前大氣探測中最具有潛力的手段之一。實際運用最 多的是從GPS掩星反演的地球大氣彎曲場、折射場、密度場和中性大氣層的氣壓、溫度、濕 度剖面，并可利用熱成風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)的原理計算大氣風(fēng)場。它提供全天候的全球觀測，具有垂 直分辨率高、準(zhǔn)確、穩(wěn)定和探測參量多等特點。
[0011] 4?氣球、火箭及臨近空間飛行器
[0012] 氣象火箭是高層大氣直接探測的重要方法。氣象火箭直接測量參數(shù)是大氣溫度、 大氣風(fēng)速和風(fēng)向。利用發(fā)射前1小時發(fā)放的氣球探空儀測量15Km附近高度點的氣壓值， 由實測大氣溫度通過壓高公式和理想氣體狀態(tài)方程推算20-60km的大氣壓力和大氣密度。 火箭在60km以上高空拋出降落傘一探空儀系統(tǒng)，702雷達從火箭發(fā)射開始跟蹤探空儀，在 上升段測量火箭彈道和艙內(nèi)溫度，下降段測量大氣溫度并利用降落傘的飄跡來計算高空風(fēng) 場。
[0013] 5.質(zhì)譜計
[0014] 質(zhì)譜計是用于中高層大氣探測的一種常用設(shè)備，它先將中性大氣電離，再按照離 子的荷質(zhì)比把在電磁場中運動的離子按照質(zhì)量加以分類計數(shù)，既可以測量粒子成分，又可 以測量分壓強，在大氣探測中廣泛應(yīng)用。
[0015] 6?大氣風(fēng)場探測儀
[0016] 通過探測中高層大氣分子激發(fā)輻射產(chǎn)生的氣輝特征譜線，并利用多普勒效應(yīng)測量 大氣風(fēng)場，主要利用Fabry-Perot和Michelson干涉儀進行氣輝譜線的測量，在多顆衛(wèi)星上 獲得應(yīng)用。
[0017] 參考文獻：
[0018] [1]呂達仁，陳洪濱，"大氣探測高技術(shù)及應(yīng)用研究進展"，大氣科學(xué)，2008, 32 (4)。
[0019] [2]張曉芳，嚴(yán)衛(wèi)，"中高層大氣探測技術(shù)的研究進展"，氣象科學(xué)，2007, 27 (4)。
[0020] [3]常岐海，楊國韜，等，"武漢中層大氣溫度特性的激光雷達觀測研究"，大氣科 學(xué)，2005, 29(2)。
[0021] [4]焦維新，空間探測，北京大學(xué)出版社。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0022] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種搭載于低軌衛(wèi)星上的在軌探測中高層大氣 成分、溫度、風(fēng)場等參量的探測器，通過一個探測器同時獲取多個中高層大氣重要參量，為 中高層大氣探測、研究及應(yīng)用提供了 一種強有力的手段。
[0023] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新型的中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀， 具體的技術(shù)方案如下：
[0024] -種中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀，其特征在于：所述中高層大氣成分溫度風(fēng) 場探測儀包括：
[0025] 準(zhǔn)直分離器，用于對入射的大氣氣流進行準(zhǔn)直，并將其中的帶電粒子進行偏轉(zhuǎn)、只 允許中性成分通過；
[0026] 電離室，用于將由準(zhǔn)直器進入的中性大氣成分進行電離，使之變成正離子并使離 子束聚焦；
[0027] 分析器，用于使帶電離子在電場中垂直偏轉(zhuǎn)，使不同成分的離子在不同的掃描電 壓下通過右側(cè)低端的狹縫；
[0028] 微通道板，使通過狹縫的離子在微通道板中產(chǎn)生電子倍增，形成放大的電流信 號；
[0029] 陽極，接正偏壓，用于收集微通道板出射的電子電流；
[0030] 電流計，用于采集對陽極上的電子電流；
[0031] 其中，準(zhǔn)直分離器、電離室、分析器為直接連接，準(zhǔn)直分離器的出口即為電離室的 入口，電離室2的出口即為分析器的入口，分離器的出口與微通道板正面相對但空間隔離， 微通道板的背面與電極正對但空間隔離，電極與電流計電連接。
[0032] 通過如下方案中高層大氣成分、溫度及風(fēng)場的探測：
[0033] 1)中高層大氣既有中性成分又有帶電粒子，首先需要將其中的帶電離子過濾掉。 在準(zhǔn)直分離器中，偏轉(zhuǎn)平板電極上加-160V的負(fù)偏壓，準(zhǔn)直分離器的外殼接衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)地， 在偏轉(zhuǎn)電極與外殼之間建立電場使帶電離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而中性成分進入下一級的能量分析 器；
[0034] 2)電離室主要由陰極、反射極、加速極和水平出口狹縫組成。其作用相當(dāng)于一個離 子源，用于產(chǎn)生和加速電子，并使中性大氣成分電離變成正離子；
[0035] 3)分析器用于將離子按荷質(zhì)比在垂直方向進行分離，主要由平板電極和掃描電壓 源組成。分析器外殼接衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地，掃描電源在平板電極上施加〇?+5V的掃描電壓，具有 不同荷質(zhì)比的離子在不同的掃描電壓下依次從右側(cè)下方的水平狹縫出射；
[0036] 4)從分析器出口狹縫出射的正離子進入微通道板4進行電流放大。微通道板共 12道，沿水平方向平行于出口狹縫排列，用于收集在水平方向上不同入射角的離子；
[0037] 5)陽極也包含12道，分別正對12道微通道板排列，用于收集各道產(chǎn)生的電子電流 信號。由12道陽極收集的電子電流信號進入電流計進行計數(shù)和存儲；
[0038] 6)中性大氣成分探測：中性大氣成分電離后主要形成1價正離子，不同質(zhì)量的正 離子在分析器中垂直方向的偏轉(zhuǎn)距離正比于掃描電壓，因此，不同的離子在不同的掃描電 壓下從分析器的出口狹縫依次飛出，經(jīng)過地面實驗標(biāo)定即可確定不同掃描電壓下的收集離 子種類，從而確定大氣成分；
[0039] 7)大氣溫度探測：每道微通道板收集的電流信號隨偏轉(zhuǎn)電壓的變化是各種成分 離子的能譜分布，掃描電壓對應(yīng)于離子能量，能譜呈麥克斯韋分布，能譜展寬即為相應(yīng)離子 的溫度；
[0040] 8)風(fēng)場探測：沿水平方向布置的多道微通道板收集來自不同入射角的離子，由信 號峰值所在的微通道板的位置即可確定離子的入射角，即方向，離子的方向即為中性大氣 風(fēng)場的方向。
[0041] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0042] 1)分析器采用鋸齒波掃描電壓源進行離子篩選，實現(xiàn)大氣成分探測。掃描電壓范 圍0?5V，掃描周期20ms，遠大于離子飛越分析器的飛行時間，可以認(rèn)為離子在恒定電場中 飛行。不同種類離子飛出狹縫出口對應(yīng)的掃描電壓U及能量Ek分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀，其特征在于：所述中高層大氣成分溫度風(fēng)場 探測儀包括： 準(zhǔn)直分離器，用于對入射的大氣氣流進行準(zhǔn)直，并將其中的帶電粒子進行偏轉(zhuǎn)、只允許 中性成分通過； 電離室主要由陰極、反射極、加速極和水平出口狹縫組成，其作用相當(dāng)于一個離子源， 用于產(chǎn)生和加速電子，將由準(zhǔn)直器進入的中性大氣成分進行電離，使之變成正離子并使離 子束聚焦； 分析器，用于將離子按荷質(zhì)比在垂直方向進行分離，主要由平板電極和掃描電壓源組 成，分析器外殼接衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地，用于使帶電離子在電場中垂直偏轉(zhuǎn)，使不同成分的離子在不 同的掃描電壓下通過右側(cè)低端的狹縫； 微通道板，使通過狹縫的離子在微通道板中產(chǎn)生電子倍增，形成放大的電流信號； 陽極，接正偏壓，用于收集微通道板出射的電子電流； 電流計，用于采集對陽極上的電子電流； 其中，準(zhǔn)直分離器、電離室、分析器為直接連接，準(zhǔn)直分離器的出口即為電離室的入口， 電離室2的出口即為分析器的入口，分離器的出口與微通道板正面相對但空間隔離，微通 道板的背面與電極正對但空間隔離，電極與電流計電連接。
2. -種利用權(quán)利要求1所述的中高層大氣成分溫度風(fēng)場探測儀探測高層大氣成分、溫 度及風(fēng)場的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 在準(zhǔn)直分離器中，偏轉(zhuǎn)平板電極上加-160V的負(fù)偏壓，準(zhǔn)直分離器的外殼接衛(wèi)星的 結(jié)構(gòu)地，在偏轉(zhuǎn)電極與外殼之間建立電場使帶電離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而中性成分進入下一級的 能量分析器； 2) 電離室產(chǎn)生和加速電子，并使中性大氣成分電離變成正離子； 3) 分析器的掃描電源在平板電極上施加0?+5V的掃描電壓，具有不同荷質(zhì)比的離子 在不同的掃描電壓下依次從右側(cè)下方的水平狹縫出射； 4) 從分析器出口狹縫出射的正離子進入微通道板4進行電流放大。微通道板共12道， 沿水平方向平行于出口狹縫排列，用于收集在水平方向上不同入射角的離子； 5) 陽極也包含12道，分別正對12道微通道板排列，用于收集各道產(chǎn)生的電子電流信 號。由12道陽極收集的電子電流信號進入電流計進行計數(shù)和存儲； 6) 中性大氣成分探測：中性大氣成分電離后主要形成1價正離子，不同質(zhì)量的正離子 在分析器中垂直方向的偏轉(zhuǎn)距離正比于掃描電壓，因此，不同的離子在不同的掃描電壓下 從分析器的出口狹縫依次飛出，經(jīng)過地面實驗標(biāo)定即可確定不同掃描電壓下的收集離子 種類，從而確定大氣成分； 7) 大氣溫度探測：每道微通道板收集的電流信號隨偏轉(zhuǎn)電壓的變化是各種成分離子 的能譜分布，掃描電壓對應(yīng)于離子能量，能譜呈麥克斯韋分布，能譜展寬即為相應(yīng)離子的溫 度； 8) 風(fēng)場探測：沿水平方向布置的多道微通道板收集來自不同入射角的離子，由信號峰 值所在的微通道板的位置即可確定離子的入射角，即方向，離子的方向即為中性大氣風(fēng)場 的方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：分析器采用鋸齒波掃描電壓源進行離子 篩選，實現(xiàn)大氣成分探測。掃描電壓范圍0?5V，掃描周期20ms，遠大于離子飛越分析器的 飛行時間，不同種類離子飛出狹縫出口對應(yīng)的掃描電壓U及能量Ek分別為：
在一個電壓掃描周期內(nèi)，不同離子飛出分析器出口狹縫所對應(yīng)的掃描電壓U及離子能 量Ek均正比于離子質(zhì)量m。其中，vsc為衛(wèi)星速度，d、L分布為極板間距及長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：采用水平展開式微通道陣列實現(xiàn)溫度及 風(fēng)場探測，根據(jù)給出了原子氧〇和氮氣N2的能譜等高線，由能譜分布的寬度給出0、N2的溫 度，由峰值所對應(yīng)的微通道板序數(shù)，得到風(fēng)場方向角9。
【文檔編號】G01W1/04GK104407401SQ201410659670
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】黃建國, 姜利祥, 劉國青, 焦子龍, 張超, 朱云飛 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所