發(fā)布時(shí)間：2020-11-09 13:27

　　 隨著空間科學(xué)的發(fā)展,地球的電離層和熱層是研究最多的兩個(gè)大氣層,同時(shí)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(dòng)影響的重要區(qū)域,也是近地衛(wèi)星運(yùn)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(shí)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(dòng)力學(xué)過程調(diào)制,在日地物理研究領(lǐng)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(qiáng)的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值,通過氣輝成像來觀測等離子體泡,可觀測較大范圍內(nèi)等離子體泡的結(jié)構(gòu)、變化以及它的運(yùn)動(dòng)特征,目前國際上已經(jīng)開展采用光學(xué)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(jìn)行了一系列研究工作,利用高靈敏度的CCD探測技術(shù)以及成像光路系統(tǒng)進(jìn)行弱光探測,能夠很好地通過觀察微弱的夜氣輝現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)電離層閃爍現(xiàn)象的研究,具有廣闊的應(yīng)用前景。然而目前常用的全天空氣輝成像儀雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在無人值守的觀測站進(jìn)行自動(dòng)采集與存儲(chǔ),但是采集時(shí)間上的控制不夠靈活,需要人為設(shè)定,這給實(shí)驗(yàn)觀測帶來了不必要的麻煩。因此,本文以實(shí)驗(yàn)室研制的窄視場氣輝成像儀為研究平臺(tái),以其數(shù)據(jù)采集技術(shù)為研究對象,最終設(shè)計(jì)了一款集氣輝圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、顯示與存儲(chǔ)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(gè)方面:(1)對氣輝成像的機(jī)理進(jìn)行了簡要介紹,接著介紹了國內(nèi)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(xué)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(shí)強(qiáng)調(diào)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(jī)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(jié)構(gòu)以及相關(guān)性能參數(shù)。(3)設(shè)計(jì)了窄視場氣輝成像儀采集控制系統(tǒng),該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了氣輝圖像的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)與顯示,控制界面上包括相機(jī)基本參數(shù)的設(shè)置(曝光時(shí)間)、采集模式和讀出模式的選擇,軟件最主要的功能是相機(jī)能夠在無人值守的觀測站進(jìn)行自動(dòng)開始與關(guān)閉采集,這就需要能夠獲取當(dāng)?shù)厝丈�日落的時(shí)間對采集進(jìn)行控制,為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,在軟件中加入了有關(guān)天文公式計(jì)算地方時(shí)的功能。在最后為了完善成像質(zhì)量,還對整個(gè)成像儀系統(tǒng)進(jìn)行了均勻性校正實(shí)驗(yàn)。(4)對氣輝原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的預(yù)處理,主要包括圖像增強(qiáng)、方位矯正以及投影圖像,最后得到預(yù)處理的圖像中可以較清晰地看到等離子體泡的相關(guān)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(jìn)行了總結(jié),并對于不足的地方給出了改進(jìn)設(shè)想,同時(shí)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(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(jìn)行成像得到相關(guān)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(kuò)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(shí)間-強(qiáng)度圖中呈現(xiàn)出羽狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)，即等離子體泡[7]，光學(xué)成像圖中可以看到該等離子體泡形成大量的光學(xué)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(jié)構(gòu)體的等離子體泡區(qū)域特定頻率的電磁波就會(huì)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(dǎo)航定位產(chǎn)生嚴(yán)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(xué)意義。

[20]。目前我國已經(jīng)在 4 個(gè)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(gè)站臺(tái)同時(shí)觀測到的赤道等離子體泡信息，這些數(shù)據(jù)對于我們預(yù)防空間通訊安全具有重要的作用。圖 1.3 四個(gè)臺(tái)站同時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)或多個(gè)電子，到了夜間，這些處于較高能太的分子或原子會(huì)躍遷回基態(tài)，此時(shí)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(huì)發(fā)生一些變化。氣輝和極光很像，但是沒有極光信號強(qiáng)，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(dòng)有關(guān)，但氣輝通太陽的活動(dòng)關(guān)系不大，
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本文編號：2876500