引用本文
王大鑫, 付利平, 江芳, 贾楠, 王天放, 窦双团. 利用FY-3(D)卫星电离层光度计数据反演电离层O/N2 [J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1004-1010.
WANG Da-xin, FU Li-ping, JIANG Fang, JIA Nan, WANG Tian-fang, DOU Shuang-tuan. Inversion of Ionospheric O/N2 by Using FY-3D Ionospheric Photometer Data [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1004-1010.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1004-07  
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利用FY-3(D)卫星电离层光度计数据反演电离层O/N2
王大鑫1,2, 付利平1,3,4,*, 江芳1,3,4, 贾楠1,2,3,4, 王天放1,2,3,4, 窦双团1,2
1.中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2.中国科学院大学, 北京 100049
3.天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
4.中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
*通讯作者：e-mail: fuliping@nssc.ac.cn

作者简介:王大鑫, 女, 1993年生, 中国科学院国家空间科学中心博士研究生 e-mail: wdaxin399100@163.com

收稿日期: 2020-04-08 修订日期: 2020-07-25
基金: 国家自然科学基金项目(41874187, 41774195)资助
摘要

磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N2浓度的显著变化, 故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2作为电离层热层受扰动的标志。 研究表明, O和N2柱密度之比O/N2与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性, 因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。 自20世纪70年代以来, 国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作, 并相继发射了多颗相关卫星, 尤其是美国、 日本以及瑞典等国家。 而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中, 只有一些工作在微波波段、 可见光波段的载荷, 还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器, 直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射, 卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷, 它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据, 为开展电离层O/N2特性的研究奠定了基础。 首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N2的理论依据。 其次, 基于MSISE-00大气模型, 利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N2之间的比例系数, 然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N2, 进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。 在数据处理过程中, 采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理, 进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。 最后, 将电离层光度计O/N2的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI(Global Ultraviolet Imager)的结果进行对比, 结果显示二者对磁暴的响应一致, O/N2的产品误差RMS约为0.319 6, 文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析, 为后续工作的开展奠定了基础。 此次研究, 首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析, 这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。

关键词: 电离层光度计; 远紫外遥感探测; O/N2反演
中图分类号:P352 文献标志码:A
Inversion of Ionospheric O/N2 by Using FY-3D Ionospheric Photometer Data
WANG Da-xin1,2, FU Li-ping1,3,4,*, JIANG Fang1,3,4, JIA Nan1,2,3,4, WANG Tian-fang1,2,3,4, DOU Shuang-tuan1,2
1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing 100190, China
4. Key Laboratory of Environmental Space Situation Awareness Technology, CAS, Beijing 100190, China
*Corresponding author
Abstract

Space weather events such as magnetic storms can cause significant changes in the concentration of the neutral components O and N2 in the thermosphere. Therefore, the ratio of the column density of oxygen atom to nitrogen molecule O/N2 is often used as a sign of the ionosphere’s disturbance. The results have shown that the ratio of the density of O and N2 columns density O/N2 and the ratio of the column emission intensity 135.6/LBH of far ultraviolet airglow OⅠ 135.6 nm and N2 LBH have a good correlation, so far ultraviolet optical remote sensing is very important for monitoring space weather. Since the 1970s, research on ionospheric exploration with far ultraviolet airglow has been conducted abroad, and several related satellite coordinates have been launched, especially in the United States, Japan, Sweden and other countries. Among the airborne prediction and optical detection instruments operating in orbit, only some work in the microwave and visible wavelength, and there are no detection instruments working in far ultraviolet longer, until the successful launch of FENGYUN-3D meteorological satellite in November 2017. The ionospheric photometer on the satellite is the first airborne far ultraviolet airglow remote sensing detection load in China. It provides us with a series of far ultraviolet detection data with independent intellectual property rights, and lays a foundation for us to carry out the research of ionospheric O/N2 characteristics. Firstly, we described how to retrieve the ratio of column density O/N2 of the neutral component in the thermosphere by using the ratio of column radiation intensity 135.6/LBH. Secondly, in the msise-00 atmospheric model, the ratio coefficient between 135.6/LBH and O/N2 is calculated by AURIC, and then the ionospheric O/N2 is retrieved by using the far ultraviolet airglow data observed by ionospheric photometer in real time, which further verifies the disturbance of the ionospheric neutral component during the magnetic storm. In the process of data processing, Chebyshev filter is used to process the out of band stray light in the data, which further suppresses the influence of the stray light signal on the FUV spectrum signal. Finally, the inversion results of O/N2 retrieved by Ionospheric Photometer are compared with the results of Global Ultraviolet Imager (GUVI) loaded by foreign optical remote sensing. The results show that they have the same response to a magnetic storm, and the product RMS error of O/N2 is about 0.319 6. In this paper, we have made an initial analysis of the possible causes of the differences, which lays a foundation for the follow-up work. This studyis the first time to use the data of the far ultraviolet airglow remote sensing payload independently developed in China for data inversion and analysis, which is of great significance to the development of the ionospheric far ultraviolet remote sensing technology in China.

Keyword: Ionospheric photo meter; Far ultraviolet remote sensing; The method of O/N2 inversion
引言

远紫外气辉是波长范围为100~200 nm的大气自然光谱辐射, 电离层中主要中性成分O, N2, O2在远紫外波段均有特征光谱, 因此远紫外气辉可用来获取电离层环境参数[1]。 由于地球大气对远紫外光谱具有强烈的吸收作用, 因此在卫星上对远紫外进行遥感监测时, 地球复杂背景大气的影响可以忽略不计[2], 可以说, 远紫外遥感探测是获取热层中性成分密度的强有力手段之一。

利用远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 LBH来反演白天电离层O/N2的方法首先是由Strickland等提出的[3], 他们证明了垂直柱密度之比O/N2与天底观测的OⅠ 135.6 nm和N2 LBH的强度之比成正比。 而O相对于N2的变化情况可以反映热层的状态[3], 因此常将O/N2作为电离层、 热层受扰动的标志, 所以O原子135.6 nm和LBH带远紫外气辉遥感探测对于监测热层空间环境的变化情况显得尤为重要。 目前, 国际上对远紫外电离层、 热层遥感探测从20世纪70年代就开始了, 具有代表性的载荷包括: 由中国台湾和美国合作研发的COSMIC卫星上搭载的微型电离层光度计TIP[4], 搭载在美国国防气象卫星DMSP上的紫外光谱成像仪SSUSI[5], 搭载在TIMED卫星上的全球紫外成像仪GUVI[6], 以及分别于2018年1月和2019年10月成功发射的全球尺度临边天底观测任务GOLD[7]和电离层连接探测器任务ICON[8], 它们都是目前电离层远紫外遥感探测领域的重要载荷, 通过探测OⅠ 135.6 nm和N2 LBH带来实现对O/N2的实时监测是这些载荷的重要探测目标。

国内目前唯一在轨的远紫外电离层遥感探测载荷是搭载在风云三号D(简称, FY-3D)卫星上的电离层光度计(ionospheric photometer, IPM), 它可以对星下点约30 km范围内夜间OⅠ 135.6 nm光谱辐射及白天OⅠ 135.6 nm气辉辐射和N2 LBH(145.0~180.0 nm)带进行天底观测, 进而反演夜间电离层电子密度总含量(TEC)、 峰值电子密度(NmF2)和白天电离层O/N2等物理参量。 本工作利用FY-3D/IPM的探测数据来反演白天电离层O/N2, 并重点分析2018年8月强磁暴期间电离层中的中性成分受扰动的情况, 并与国外相关载荷的反演结果进行对比。

1 O/N2反演基本原理

氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2是由Strickland等提出的物理参量, 他们认为使中性成分O和N2激发出远紫外气辉的太阳EUV辐射沉积在N2垂直向下积分的柱密度达到1017 cm-2时的高度处, 因此OⅠ 135.6 nm和N2 LBH的辐射主要来自于此高度范围内, 为测量两者比率提供了一个很好的条件[3]。 Strickland指出当N2的参考深度为1017 cm-2时, 135.6/LBH与O/N2之间存在唯一的对应关系, 且不确定性最小(小于2%)[3], 两者之间的关系可表示为

ON2≈kI135.6ILBH(1)

基于此, O和N2的远紫外气辉与热层成分联系了起来。 随后Meier等将此方法应用于TIMED/GUVI的探测数据中[9], 获得了O/N2的天底观测数据以及临边探测扩线分布情况。

OⅠ 135.6和N2 LBH的主要激发源均为光电子与中性成分的碰撞激发, 其中135.6 nm是二重态谱线, 包括135.85和135.56 nm。 则OⅠ 135.6 nm和N2 LBH的柱辐射强度可表示为(单位为瑞利)[8, 9]

4πI135.6=∫j135.6∑i=135.6135.8Bie-τO2iTτOids(2)

4πILBH=∫jN2∫BLBHλe-τO2λdλds$(3)

式(2)中, j135.6为135.6 nm的初始体发射率和多次共振散射体发射率之和, 即j135.6=j0+jms。 波长指数之和说明了O的双重性质, Bi表示二重态中每一种辐射波段所占百分比。 e-τO2是传播路径的消光系数。 Holstein传递函数T(τ O)表示O的自吸收。 式(3)中, λ 表示波长, BLBH(λ )表示探测波段λ 在LBH带中所占的百分比, 其他各变量的定义与式(2)相同。

由于N2LBH带波段覆盖124~240 nm, 因此OⅠ 135.6 nm辐射强度部分来自N2LBH带的贡献。 此外, 由于O+辐射复合源与电离层电子密度的平方成正比, 因此较高的峰值电子密度NmF2会迅速增加电离层的发射速率[8], 所以Stephan等认为在约300 km以上的电离层中135.6 nm气辉的激发源除了碰撞激发过程外, 还有O+的辐射复合作用。 因此在反演135.6 nm的过程中, 需要考虑LBH带的影响以及O+辐射复合过程的贡献。 Stephan等对Strickland和Meier的反演算法进行了改进, 此时OⅠ 135.6 nm柱辐射强度表示为[8]

4πI135.6=∫j135.6∑i=135.6135.8Bi[e-τO2iT(τOi)]ds+∫jN2∫B135.6λe-τO2λdλds(4)

式(4)中, B135.6表示进入135.6测量通道的波长λ 在总N2LBH辐射中所占的比例。 135.6 nm的初始体发射率j0中不仅包括碰撞激发作用, 还包含了O+辐射复合源。 考虑了LBH谱带以及O+辐射复合过程对OⅠ 135.6气辉辐射的影响后, 更接近实际探测情况, O/N2的反演精度可以优于8.7%[8]。

2 FY-3D电离层光度计O/N2的反演计算

搭载在FY-3D气象卫星上的电离层光度计是目前国内首台对热层/电离层远紫外波段气辉辐射进行探测的光学遥感载荷, 通过对OⅠ 135.6 nm和N2 LBH(145.0~180.0 nm)辐射光谱的在轨监测, 反演获得夜间电离层电子密度总含量(TEC)、 峰值电子密度(NmF2)和电离层O/N2等物理参量。 卫星轨道高度是830 km, 为太阳同步轨道, 卫星升交点地方时为14:00。 电离层光度计载荷性能指标如表1所示。

表1 电离层光度计载荷性能指标 Table 1 The performance indexes of IPM

本节将结合AURIC[10]模型, 基于上一节中的反演算法, 对电离层光度计探测的OⅠ 135.6 nm和N2 LBH远紫外气辉数据进行处理, 获得O/N2分布图。

首先, 利用AURIC模型模拟计算135.6/LBH与O/N2之间的系数。 取AURIC的时间为FY-3D卫星升交点的地方时, 同时根据实际的太阳活动指数来设定F10.7的值。 计算O/N2时, 选取高度为垂直向下积分N2的柱密度达到1017 cm-2时的高度, 然后计算此高度范围内O的柱密度。 同时设置O的密度标定因子使得O/N2大约在0.3~1.5之间[8]。 由于不同的地磁活动状态对O/N2的反演计算几乎没有影响, 因此本反演算法不考虑地磁活动状态。

设置太阳天顶角(solar zenith angle, SZA)θ 的范围为0° ~70° [9], 仿真计算不同太阳天顶角下O/N2与135.6/LBH之间的系数k, 并将系数k与太阳天顶角θ 进行拟合计算, 获得系数k随太阳天顶角θ 变化的关系式为

k=-7.649e-5θ2+0.0039θ+0.5085(5)

最后, 对于观测的135.6/LBH及其对应的太阳天顶角, 结合电离层光度计自身响应特性, 利用式(5)进行反演计算, 确定O/N2结果。 反演流程图如图1所示。

图1 电离层光度计反演O/N2流程图Fig.1 The flow chart of inversing O/N2 for IPM

2.1 切比雪夫滤波器处理信号杂散光

电离层光度计在进行遥感探测时, 除了135.6和LBH辐射信号能被观测到以外, 还有一些带外长波杂散光(200 nm以上的长波辐射)会进入测量通道, 因此为了保证仪器能在白天获得更好的探测效果, 我们在滤光片轮上设置了长波杂散光测量通道, 用于测量经带通滤光片后仍然可能存在的长波杂散光, 可以保证电离层光度计的探测精度。 滤光片轮设计如图2所示。

图2 电离层光度计滤光片轮设计图Fig.2 Design of the filter wheel for the Ionospheric Photometer

由于设备重量功耗限制, 仪器采用了滤光片轮轮流对信号和杂散光进行测量的方式, 这样导致二者测量时间及测量区域存在一定差异, 所以如果仅仅将探测到的135.6 nm和LBH带的光谱辐射强度与杂散光强度进行简单相减, 杂散光消除不够理想。 为进一步降低带外杂散光对探测结果的影响, 采用滤波器滤波方法对带外杂散光进行处理, 选用的滤波器为切比雪夫Ⅰ 型滤波器, 它的频率响应幅度在通带中是等波纹的, 在阻带内是单调的。

根据对电离层光度计采样数据的频谱分析结果, 利用[N, Wn]=cheb1ord(wp, ws, rp, rs)的方式来设计滤波器, 选定通带截止频率wp、 阻带截止频率ws、 通带波纹rp、 阻带衰减rs的值, 求出滤波器的最小阶数N和固有频率Wn。 其次, 再利用[b, a]=cheby1(N, rp, Wn, ‘ ftype’ )的方式, 调用N和Wn来得到满足要求的滤波器系统函数系数。 最后, 根据设计的切比雪夫滤波器对探测光谱信号进行滤波处理。

为了验证滤波方式对带外杂散光的抑制效果, 任意选取2018年8月期间某一轨探测数据做滤波处理, 滤波结果如图3所示。

图3(a) 电离层光度计OⅠ 135.6 nm光谱辐射滤波Fig.3(a) The filtering of OⅠ 135.6 nm emission of IPM

图3(b) 电离层光度计已减杂散光的OⅠ 135.6 nm光谱辐射滤波Fig.3(b) The filtering of OⅠ 135.6 nm emission with reduced stray light of IPM

根据信号频谱分析设计滤波器进行滤波处理后的结果如图3(a)和3(b)所示, 图中横轴为纬度, 纵轴为辐射强度。 其中图3(a)为未减杂散光的光谱信号以及滤波信号, 图3(b)为已减杂散光的光谱信号和滤波信号。 从图3(b)中可以看出, 减去杂散光未做滤波处理的信号(蓝线)中仍然出现很多“ 毛刺” 。 经过滤波处理后的信号(红线), 削弱了“ 毛刺” 现象, 表明滤波器滤波法能够进一步抑制杂散光的影响, 且不会影响原光谱信号的变化趋势。

为进一步分析采用滤波方式消除杂散光的效果, 我们将电离层光度计的OⅠ 135.6 nm光谱数据与AURIC模型仿真数据进行对比, 二者取相同的地方时、 F10.7以及太阳天顶角SZA的值, 结果如图4所示。

图4 OⅠ 135.6 nm探测数据与模拟数据对比Fig.4 Comparison between the detection data and simulation data of OⅠ 135.6 nm

图4(a)为电离层光度计探测的OⅠ 135.6 nm原光谱信号滤波后的结果, 图4(b)为只减杂散光后的结果, 发现出现了一些离散的点, 并且还有一些负值, 图4(c)为去除杂散光并做滤波处理后的结果, 电离层OⅠ 135.6 nm辐射信号特性得以保留, 消除了与O原子135.6 nm光谱特性无关的信号, 电离层光度计的数据与AURIC模拟数据匹配较好。 因此, 对电离层光度计的探测数据采取去除杂散光并滤波处理的方式, 进一步保证了探测精度, 提高了O/N2的反演精度。

2.2 FY-3D电离层光度计O/N2反演结果分析及验证

2018年8月份发生了一场大磁暴, 图5为8月份的地磁指数变化情况图, 其中x轴为日期, y轴分别为Kp指数、 Ap指数以及Dst指数。 对地磁指数变化图进行分析得出, 磁暴开始的时间大约在8月26日左右。

我们取8月26日前后几天的电离层光度计数据进行处理, 获得磁暴期间O/N2的变化情况。 完成对电离层光度计探测数据去除杂散光并滤波处理后, 分别对磁暴发生前后的OⅠ 135.6 nm和N2 LBH光谱辐射强度的全球分布进行分析, 全球分布图如图6和图7所示, 其中横坐标为经度, 纵坐标为纬度, 颜色色标代表柱辐射强度的强弱, 从左往右表示时间的变化。

图5 2018年8月地磁指数变化图Fig.5 The variation graphs of geomagnetic index in August 2018

图6 电离层光度计探测到的2018.8.24— 8.30期间白天135.6 nm柱辐射强度Fig.6 Daytime 135.6 nm column emission intensity detected by IPM from August 24 to August 30, 2018

图7 电离层光度计探测到的2018.8.24— 8.30期间白天N2 LBH带柱辐射强度Fig.7 Daytime N2 LBH column emission intensity detected by IPM from August 24 to August 30, 2018

从图6和图7中可以看出电离层中远紫外气辉辐射强度受磁暴影响的变化情况, 其中8月26日OⅠ 135.6 nm日辉辐射强度在中高纬区域内迅速减弱, 8月27日它的辐射强度又开始慢慢增强。 N2 LBH带的辐射强度有一点增强的趋势, 尤其是在极区附近。 表明磁暴情况下, 强焦耳和粒子加热会引起极光卵周围大气的上升运动, 使得富含氮气而缺乏氧原子的空气从低热层进入F层, 从而引发氧的耗散现象, 强磁暴情况下, 其耗散甚至可达60%以上。 因此证明, 远紫外日气辉的变化与磁暴具有密切相关性。

按照流程图1的步骤进行反演计算, 选定F10.7以及太阳天顶角SZA、 设置好N2的参考深度以及O的密度标度因子, 用AURIC模拟仿真出系数。 然后调用电离层光度计探测数据, 代入系数, 反演出白天电离层的O/N2, 结果如图8所示。

图8 FY-3D电离层光度计反演得到的白天O/N2柱密度之比Fig.8 The column density ratio of O/N2 retrieved by FY-3D IPM during the daytime

从图8中可以看到8月26日、 8月27日、 8月28日这三天磁暴发生期间O/N2的明显变化, 尤其是中高纬地区O/N2明显减小。 结合图5可知, 电离层光度计反映出的磁暴响应情况与地磁指数变化情况一致, 验证了磁暴会引起电离层中O/N2变化的结论, 因此探测电离层中远紫外气辉辐射对于预测电离层磁暴等空间天气事件具有重要意义。

全球紫外成像仪GUVI(Global Ultraviolet Imager)是搭载在TIMED卫星上的载荷之一, 其轨道高度是625 km, 轨道倾角约为74.1° , GUVI为成像光谱仪, 其探测波段覆盖115~180 nm, 光谱带宽为1.8nm, 是电离层远紫外遥感探测领域的重要载荷之一。 选取8月24日— 8月30日时间段, 对GUVI探测的OⅠ 135.6 nm气辉辐射和N2 LBHs(140.0~150.0 nm)谱段进行反演, 获得电离层白天氧氮比数据, 结果如图9所示。

图9 TIMED/GUVI反演得到的白天O/N2柱密度之比Fig.9 The column density ratio of O/N2 retrieved by TIMED/GUVI during the daytime

比较FY-3D/IPM与TIMED/GUVI的反演结果, 可以看出二者对磁暴响应的一致性好, O/N2的值均在8月26日当天迅速变小, 然后8月27日开始慢慢恢复。 但进一步观察两图色度的变化, 发现两者数值大小并不完全一致。 取相同的时间、 经纬度以及太阳天顶角, 将两个仪器的反演结果进行进一步的比较, 结果如图10所示。

图10 FY3D/IPM与TIMED/GUVI的O/N2反演结果对比Fig.10 The comparison of O/N2 retrieved by FY3D/IPM and TIMED/GUVI

结合图10, 计算得到FY-3D/IPM与TIMED/GUVI两个载荷之间的反演误差RMS约为0.319 6。 对电离层光度计与GUVI的产品误差源进行初步分析, 发现导致二者误差的原因主要在于:

(1)IPM探测的N2 LBH的波段范围是145~180 nm, 而GUVI反演O/N2时利用的是LBHS波段, 即140~150 nm, 二者传输机制及发生的高度有差别, 导致在利用AURIC仿

真给出系数时, 造成IPM的系数偏大, 最终引起反演结果有差异。

(2)IPM与GUVI的轨道高度和地方时不同, IPM的轨道为830 km的太阳同步轨道, LT为14:00; 而GUVI的轨道高度约为625 km, 每天绕地球15圈, 60 d完成地方时24 h的覆盖, 因此地方时不固定。 这种地方时和轨道的差异也将导致反演结果误差增大。

综上所述, FY-3D/IPM与TIMED/GUVI的反演结果趋势一致性好, 对磁暴等空间天气事件响应一致, 但二者的O/N2产品存在一定误差。 除上述分析的原因外, 不排除其他因素会导致差异性存在, 后续将做进一步分析。

3 结论

利用我国首台自主研发的远紫外电离层光学遥感探测载荷-电离层光度计(IPM)的在轨数据进行数据反演, 重点分析了2018年8月磁暴期间O/N2的变化情况。 主要研究内容有以下几点: (1)采用了切比雪夫滤波器滤波法, 在对电离层光度计探测数据进行杂散光抑制处理时, 进一步减小带外杂散光对探测数据的影响, 提高O/N2产品精度; (2)对FY-3D电离层光度计探测的135.6 nm和LBH带气辉辐射进行反演, 进而获得O/N2全球分布数据; (3)对2018年8月发生较强磁暴期间电离层光度计的O/N2数据进行分析, 结果表明, 电离层光度计O/N2产品对磁暴有很好的响应; 将IPM的O/N2产品与国外类似功能载荷GUVI的反演结果进行比较, 发现二者产品趋势一致性好, 产品误差RMS约为0.319 6。 初步分析造成误差原因包括选用的LBH反演波段有差异、 载荷探测时空匹配具有差异等, 后续将对电离层光度计的产品精度进行进一步改进。

参考文献
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