窄视场气辉成像仪信号采集与数据处理

发布时间：2020-11-09 13:27

　　 随着空间科学的发展,地球的电离层和热层是研究最多的两个大气层,同时也是空间天气对人类生活有很大影响的空间区域地球的电离层是空间天气对人类活动影响的重要区域,也是近地卫星运行的主要场所。气辉是地球高层大气中重要的发光现象,气辉的空间和时间分布受到诸如潮汐波、大气重力波和行星波等多种大气动力学过程调制,在日地物理研究领域中占有特殊的地位。电离层F区不规则体(也称等离子体泡)是低纬度电离层闪烁的主要原因,研究电离层等离子体泡具有很强的科学意义和应用价值,通过气辉成像来观测等离子体泡,可观测较大范围内等离子体泡的结构、变化以及它的运动特征,目前国际上已经开展采用光学手段研究等离子体泡的工作,本文围绕窄视场气辉成像仪进行了一系列研究工作,利用高灵敏度的CCD探测技术以及成像光路系统进行弱光探测,能够很好地通过观察微弱的夜气辉现象,实现电离层闪烁现象的研究,具有广阔的应用前景。然而目前常用的全天空气辉成像仪虽然能够实现在无人值守的观测站进行自动采集与存储,但是采集时间上的控制不够灵活,需要人为设定,这给实验观测带来了不必要的麻烦。因此,本文以实验室研制的窄视场气辉成像仪为研究平台,以其数据采集技术为研究对象,最终设计了一款集气辉图像数据的自动采集、显示与存储于一体的气辉成像仪数据采集与处理系统,论文包括以下几个方面:(1)对气辉成像的机理进行了简要介绍,接着介绍了国内外气辉观测以及气辉成像仪的发展情况,气辉观测在空间科学中的重要作用,并围绕等离子体泡的影响说明了气辉观测的重要性,同时强调了本文研究工作的必要性以及重要性。(2)介绍了气辉以及等离子体泡的基本理论,包括气辉中等离子体泡的形成机理,以及它在气辉中所表现出的形态特征,如何通过气辉观测得到等离子体泡信息,并介绍了用于气辉观测的窄视场气辉成像仪的基本结构以及相关性能参数。(3)设计了窄视场气辉成像仪采集控制系统,该系统主要实现了气辉图像的自动采集、存储与显示,控制界面上包括相机基本参数的设置(曝光时间)、采集模式和读出模式的选择,软件最主要的功能是相机能够在无人值守的观测站进行自动开始与关闭采集,这就需要能够获取当地日升日落的时间对采集进行控制,为了实现这个功能,在软件中加入了有关天文公式计算地方时的功能。在最后为了完善成像质量,还对整个成像仪系统进行了均匀性校正实验。(4)对气辉原始数据进行一系列的预处理,主要包括图像增强、方位矫正以及投影图像,最后得到预处理的图像中可以较清晰地看到等离子体泡的相关信息,研究成果将集成到窄视场气辉成像仪数据采集处理软件中。(5)对本文的研究工作进行了总结,并对于不足的地方给出了改进设想,同时对于窄视场气辉成像仪数据采集系统未来的发展做出了展望。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P35
【部分图文】：

图 1.1 日本 3.11 地震海啸形成的气辉图，红色代表海啸路线除了大气重力波借助气辉观测以外，电离层的闪烁也是将气辉作为观主要是对 OI 气辉的 630nm 波段进行成像得到相关的等离子体泡信息等离子体泡，就是由于瑞利-泰勒不稳定性，在日落之后，F 区底部的大尺度等离子体耗空并向上抬升，在电场的作用下这种大范围的等空垂直于地球磁力线继续向上抬升，一直延伸到顶部的电离层[6]。等空区域在抬升的过程中沿着磁力线扩展到磁赤道附近的低纬度区域，种空间尺度的等离子体耗空区，这种多尺度的等离子体耗空区在无线测的高度-时间-强度图中呈现出羽状不规则结构，即等离子体泡[7]，光学成像图中可以看到该等离子体泡形成大量的光学暗区（如图 1，无线电波信号在经过电离层的这种不规则结构体的等离子体泡区域特定频率的电磁波就会形成相位和幅度的闪烁现象，从而等离子体泡通信、高频通信、GPS 导航定位产生严重的影响[8]，观测与研究气对研究等离子体泡的规律有重要的科学意义。

[20]。目前我国已经在 4 个地方建立了气辉观测站，如图1.2，展开了对等离子体泡更加全面的研究，图1.3是四个站台同时观测到的赤道等离子体泡信息，这些数据对于我们预防空间通讯安全具有重要的作用。图 1.3 四个台站同时观测到的赤道等离子体泡现象

图 2.1 瑞丽——泰勒不稳定示意图2.2气辉辐射基本理论气辉是大气层中一种微弱的发光现象，任何时候都存在于天空中。气辉一般分为三类：白天不易观测到的称为昼气辉，晨昏时出现的是曙暮气辉以及夜间出现的相对明显的气辉现象，称为夜气辉[7]。夜气辉的形成主要源于一些分子（OH，O2等）或者一些原子（如 O、Na 等），它们在白天吸收了太阳辐射的能量，使其失去一个或多个电子，到了夜间，这些处于较高能太的分子或原子会跃迁回基态，此时释放出一定波长的光，从而造成了微弱的辉光辐射[23]，最常见或最明亮的气辉辐射特征一般由光化学反应产生的。气辉的亮度很低，只有用敏感的仪器才能观测到。它连续出现并且随着纬度的不同会发生一些变化。气辉和极光很像，但是没有极光信号强，它和微弱激光凭目视很难分辨，但在有一些方面是不同的。极光受地磁场控制，在接近地磁极的一些维度上才能观测到，而且极光的出现与太阳活动有关，但气辉通太阳的活动关系不大，
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本文编号：2876500