星载全球大气波动成像仪研究

论文摘要

在低轨道卫星上开展临近空间中间层/低热层大气波动的观测,对于该领域研究具有重要的科学意义。利用大气波动对O2A（0-0）夜气辉的调制作用和特点,提出用TDICCD（时间延迟积分CCD）作为传感器,用星载设备对气辉成像来探测全球临近空间的大气波动特征的技术思路。依据TDICCD的工作原理,推算了对夜气辉成像的信噪比公式,计算了信噪比和曝光时间等参数。同时计算了两种轨道下的偏流角与像移。基于调制传递函数（MTF）计算了分辨率随着纬度的变化规律,依据MTF使用维纳滤波来模拟复原采集的图像,并设计和仿真了TDICCD驱动时序,给出了星载大气波动成像仪结构图设计以及具体指标。研究表明,在卫星上开展大气重力波成像观测在技术上具备可行性。主要结论是:（1）由于O2 A（0-0）夜气辉相对的高亮度以及低背景光噪声, TDICCD对于O2A（0-0）夜气辉成像的信噪比在满足研究要求的范围内。在气辉平均亮度下CCD30-11采集信号的信噪比可以达到42.9,曝光时间12秒左右,满足对大气重力波观测的要求。（2）MTF分析表明,TDICCD对气辉成像的像质随着纬度增加而提高,同时分辨率也提高。推扫沿航方向时,73°倾角轨道下,水平分辨率优于5.7千米;30°倾角轨道下,水平分辨率优于3.1千米。推扫采用某一特定方向时,73°倾角轨道下,水平分辨率优于2.9千米;30°倾角轨道下,水平分辨率优于1.8千米。上述计算结果表明,有可能观测到水平波长小于10千米的大气波动细节。基于MTF使用维纳滤波来复原TDICCD采集的图像,对图像的水平分辨率具有一定的改善效果。（3）提出了基于73°倾角轨道的星载大气波动成像仪方案,该方案可观测水平波长5.8千米以上,垂直波长10千米以上的大气波动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 临近空间的介绍
• 1.1.2 临近空间中的大气重力波活动
• 1.1.3 气辉及其与大气波动的联系
• 1.1.4 地基观测设备对气辉与大气重力波的研究结果
• 1.2 星载气辉观测设备的介绍
• 1.3 本文的研究动机与主要内容
• 1.3.1 研究动机
• 1.3.2 本文的主要内容
• 2A（0-0）气辉成像的信噪比估计'>第二章 TDICCD对O₂A（0-0）气辉成像的信噪比估计
• 2A（0-0）夜气辉与大气重力波'>2.1 O₂A（0-0）夜气辉与大气重力波
• 2A（0-0）夜气辉的调制机制'>2.1.1 大气重力波对O₂A（0-0）夜气辉的调制机制
• 2A（0-0）夜气辉的成像优势'>2.1.2 在空间对O₂A（0-0）夜气辉的成像优势
• 2.2 TDICCD介绍
• 2.2.1 TDICCD对气辉成像的原理
• 2.2.2 气辉成像对TDICCD的要求
• 2.2.3 TDICCD的噪声分析
• 2A（0-0）气辉成像的信噪比'>2.3 O₂A（0-0）气辉成像的信噪比
• 2.3.1 星下点轨迹的计算
• 2A（0-0）气辉成像的信噪比计算与分析'>2.3.2 O₂A（0-0）气辉成像的信噪比计算与分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于MTF的气辉成像分辨率分析与图像还原
• 3.1 TDICCD像移分析
• 3.1.1 偏流角的计算与影响
• 3.1.2 TDICCD成像像移计算
• 3.2 利用MTF计算不同轨道下的水平分辨率
• 3.2.1 MTF与PSF介绍
• 3.2.2 TDICCD成像的MTF计算
• 3.2.3 不同轨道下MTF对分辨率的影响
• 3.3 模拟利用MTF恢复气辉图像
• 3.4 本章小结
• 第四章 星载大气波动成像仪方案以及TDICCD驱动时序设计
• 4.1 星载大气波动成像仪方案
• 4.2 TDICCD驱动时序设计
• 4.2.1 AFE芯片功能介绍
• 4.2.2 CCD电荷转移原理
• 4.2.3 CCD30-11驱动时序分析
• 4.2.4 CCD驱动时序的设计与仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 本文主要工作和结论
• 5.2 本文需改进的地方
• 5.3 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表文章
• 附录
• 致谢