發(fā)布時間：2020-11-09 13:27

　　 隨著空間科學的發(fā)展,地球的電離層和熱層是研究最多的兩個大氣層,同時也是空間天氣對人類生活有很大影響的空間區(qū)域地球的電離層是空間天氣對人類活動影響的重要區(qū)域,也是近地衛(wèi)星運行的主要場所。氣輝是地球高層大氣中重要的發(fā)光現(xiàn)象,氣輝的空間和時間分布受到諸如潮汐波、大氣重力波和行星波等多種大氣動力學過程調制,在日地物理研究領域中占有特殊的地位。電離層F區(qū)不規(guī)則體(也稱等離子體泡)是低緯度電離層閃爍的主要原因,研究電離層等離子體泡具有很強的科學意義和應用價值,通過氣輝成像來觀測等離子體泡,可觀測較大范圍內等離子體泡的結構、變化以及它的運動特征,目前國際上已經(jīng)開展采用光學手段研究等離子體泡的工作,本文圍繞窄視場氣輝成像儀進行了一系列研究工作,利用高靈敏度的CCD探測技術以及成像光路系統(tǒng)進行弱光探測,能夠很好地通過觀察微弱的夜氣輝現(xiàn)象,實現(xiàn)電離層閃爍現(xiàn)象的研究,具有廣闊的應用前景。然而目前常用的全天空氣輝成像儀雖然能夠實現(xiàn)在無人值守的觀測站進行自動采集與存儲,但是采集時間上的控制不夠靈活,需要人為設定,這給實驗觀測帶來了不必要的麻煩。因此,本文以實驗室研制的窄視場氣輝成像儀為研究平臺,以其數(shù)據(jù)采集技術為研究對象,最終設計了一款集氣輝圖像數(shù)據(jù)的自動采集、顯示與存儲于一體的氣輝成像儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),論文包括以下幾個方面:(1)對氣輝成像的機理進行了簡要介紹,接著介紹了國內外氣輝觀測以及氣輝成像儀的發(fā)展情況,氣輝觀測在空間科學中的重要作用,并圍繞等離子體泡的影響說明了氣輝觀測的重要性,同時強調了本文研究工作的必要性以及重要性。(2)介紹了氣輝以及等離子體泡的基本理論,包括氣輝中等離子體泡的形成機理,以及它在氣輝中所表現(xiàn)出的形態(tài)特征,如何通過氣輝觀測得到等離子體泡信息,并介紹了用于氣輝觀測的窄視場氣輝成像儀的基本結構以及相關性能參數(shù)。(3)設計了窄視場氣輝成像儀采集控制系統(tǒng),該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了氣輝圖像的自動采集、存儲與顯示,控制界面上包括相機基本參數(shù)的設置(曝光時間)、采集模式和讀出模式的選擇,軟件最主要的功能是相機能夠在無人值守的觀測站進行自動開始與關閉采集,這就需要能夠獲取當?shù)厝丈�日落的時間對采集進行控制,為了實現(xiàn)這個功能,在軟件中加入了有關天文公式計算地方時的功能。在最后為了完善成像質量,還對整個成像儀系統(tǒng)進行了均勻性校正實驗。(4)對氣輝原始數(shù)據(jù)進行一系列的預處理,主要包括圖像增強、方位矯正以及投影圖像,最后得到預處理的圖像中可以較清晰地看到等離子體泡的相關信息,研究成果將集成到窄視場氣輝成像儀數(shù)據(jù)采集處理軟件中。(5)對本文的研究工作進行了總結,并對于不足的地方給出了改進設想,同時對于窄視場氣輝成像儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)未來的發(fā)展做出了展望。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：P35
【部分圖文】：

圖 1.1 日本 3.11 地震海嘯形成的氣輝圖，紅色代表海嘯路線除了大氣重力波借助氣輝觀測以外，電離層的閃爍也是將氣輝作為觀主要是對 OI 氣輝的 630nm 波段進行成像得到相關的等離子體泡信息等離子體泡，就是由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，在日落之后，F(xiàn) 區(qū)底部的大尺度等離子體耗空并向上抬升，在電場的作用下這種大范圍的等空垂直于地球磁力線繼續(xù)向上抬升，一直延伸到頂部的電離層[6]。等空區(qū)域在抬升的過程中沿著磁力線擴展到磁赤道附近的低緯度區(qū)域，種空間尺度的等離子體耗空區(qū)，這種多尺度的等離子體耗空區(qū)在無線測的高度-時間-強度圖中呈現(xiàn)出羽狀不規(guī)則結構，即等離子體泡[7]，光學成像圖中可以看到該等離子體泡形成大量的光學暗區(qū)（如圖 1，無線電波信號在經(jīng)過電離層的這種不規(guī)則結構體的等離子體泡區(qū)域特定頻率的電磁波就會形成相位和幅度的閃爍現(xiàn)象，從而等離子體泡通信、高頻通信、GPS 導航定位產生嚴重的影響[8]，觀測與研究氣對研究等離子體泡的規(guī)律有重要的科學意義。

[20]。目前我國已經(jīng)在 4 個地方建立了氣輝觀測站，如圖1.2，展開了對等離子體泡更加全面的研究，圖1.3是四個站臺同時觀測到的赤道等離子體泡信息，這些數(shù)據(jù)對于我們預防空間通訊安全具有重要的作用。圖 1.3 四個臺站同時觀測到的赤道等離子體泡現(xiàn)象

圖 2.1 瑞麗——泰勒不穩(wěn)定示意圖2.2氣輝輻射基本理論氣輝是大氣層中一種微弱的發(fā)光現(xiàn)象，任何時候都存在于天空中。氣輝一般分為三類：白天不易觀測到的稱為晝氣輝，晨昏時出現(xiàn)的是曙暮氣輝以及夜間出現(xiàn)的相對明顯的氣輝現(xiàn)象，稱為夜氣輝[7]。夜氣輝的形成主要源于一些分子（OH，O2等）或者一些原子（如 O、Na 等），它們在白天吸收了太陽輻射的能量，使其失去一個或多個電子，到了夜間，這些處于較高能太的分子或原子會躍遷回基態(tài)，此時釋放出一定波長的光，從而造成了微弱的輝光輻射[23]，最常見或最明亮的氣輝輻射特征一般由光化學反應產生的。氣輝的亮度很低，只有用敏感的儀器才能觀測到。它連續(xù)出現(xiàn)并且隨著緯度的不同會發(fā)生一些變化。氣輝和極光很像，但是沒有極光信號強，它和微弱激光憑目視很難分辨，但在有一些方面是不同的。極光受地磁場控制，在接近地磁極的一些維度上才能觀測到，而且極光的出現(xiàn)與太陽活動有關，但氣輝通太陽的活動關系不大，
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本文編號：2876500