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电离层等离子体分析仪的设计与研制

冯宇波  
【摘要】:电离层等离子体分析仪包括阻滞势分析器、离子漂移计、离子捕获计三个传感器,探测的物理参数包括电离层离子密度、离子温度、离子成份、离子漂移速度以及离子密度涨落。半个多世纪以来,这类仪器在国际上被广泛应用于地球电离层以及地外行星电离层的探测当中。目前,我国提出了地震卫星项目,其主要任务目标是探测和研究电离层与地震之间的耦合关系。在此背景下,我们对地震卫星上将要携带的等离子体分析仪进行了预先研究。 本文首先简要阐述了地球电离层及其与地震之间的关系,随后介绍了电离层等离子体分析仪在国际上的发展历程以及趋势,并详细介绍了等离子体分析器的工作原理。本论文的主要研究工作包括:等离子体分析仪指标论证、仪器设计、性能仿真以及定标测试等。第五章中,我们根据地震星的轨道特点以及电离层参数的变化特性,给出了符合任务需求的仪器设计方案,并通过仿真手段对传感器进行了优化设计。第六章主要通过仿真手段分析了空间环境对等离子体分析仪的影响,主要包括等离子体-卫星交互作用以及极区沉降粒子引起的卫星充电现象、以及高能粒子对电流信号的影响。 第七、第八章为本文的主要创新点所在。由于电离层等离子体分析仪探测对象的能量极低,国际上都无法对其传感器作出精确的定标。因此,仿真成为了国际上研究等离子体分析仪传感器性能的主要手段。在第七章,我们通过计算机建模,将传感器内每个栅网的网丝都考虑在内,分析了传感器内各种非理想因素引起的传感器系统误差。其中,对阻滞势分析器的系统误差仿真是对国际同类工作的补充和完善,而对离子漂移计的系统误差仿真则是国际上首次对此传感器进行的全栅网系统误差仿真工作。在第八章中,我们对仪器的前置放大器以及传感器分别进行了定标和测试。其中,对传感器除了进行定性的信号相应测试以外,我们还提出了一种“倍压”测试方法并进行了初步的测试研究,这种方法使等离子体分析仪传感器的精确定标成为可能。 结合本文的设计方案、仿真结果及实验验证,我们认为本文设计和研制的等离子体分析仪在电离层探测中将具有较好的性能,并满足地震卫星的任务要求。


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