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观海看地探大气,天宫二号有“神器”

发布日期:2017年12月12日 来源 : 中国载人航天工程网 字体: 【大】【中】【小】

  天宫二号空间实验室于2016年9月15日发射。入轨以来,与神舟十一号飞船完成了交会对接,实现了航天员中期驻留;与天舟一号货运飞船完成了3次交会对接及3次推进剂在轨补加;并于2017年9月22日天舟一号货运飞船离轨后,转入长期管理阶段。目前,天宫二号在轨稳定运行、状态良好,将继续开展拓展试验和各项科学实(试)验。


  在天宫二号中,搭载了不少“神器”,对于海洋、陆地观测,大气探测等具有重要作用。


  观海看地——三维成像微波高度计


  天宫二号中搭载的新一代雷达高度计——三维成像微波高度计,采用小角度、高精度干涉测量技术,能精确获取海面高度信息,是国际上首次实现宽刈幅(≥30km)海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。它能够获得海洋干涉相位图,并由此测算三维海洋形态,为海平面高度测量、海洋环境探测等提供更有效的手段。另外,三维成像微波高度计也可对陆地成像,能够获得二维图像和三维地形信息。


  


图1:三维成像微波高度计主要部件


  天宫二号微波高度计怎样工作?


  天宫二号三维成像微波高度计是利用小入射角、一发双收的双天线和双通道接收机获取高相干海面及陆地回波信号。利用高度计的高精度干涉相位测量能力以及波形跟踪能力,精确获得海面高度的干涉相位信息,并通过对干涉相位进行处理,恢复高度计双天线相位中心与测量海面点的几何关系,从而确定平均海平面的高度值。三维成像微波高度计观测示意图如图2所示。图3和图4分别是模拟的海面干涉条纹图和三维海面图。


  


  图2:天宫二号高度计观测示意图


  


  图3:高度计所获得海面干涉条纹图(模拟)


  


图4:经过反演得到的三维海面图(模拟)


  传统海洋微波高度计在海洋观测中只能获得星下点3km左右观测的范围,即获得沿轨迹方向星下点的一维海平面高度测量,“天宫二号”微波高度计在观测幅宽方面比传统高度计提高近10倍,极大提高了观测效率,所获取的观测数据,对于研究全球的海洋动力环境(包括海平面高度、海面风浪和洋流等)具有非常重要的作用。


  自2016年9月23日在轨运行以来,三维成像微波高度计设备运行稳定,工作状态良好,获得了一大批三维成像微波高度计图像。


  海陆交界


  


  上图展示的是广东省黄茅海及其周边地区。在图像中,水体亮度较高,陆地亮度较低,有利于水陆界线的识辨。因此天宫二号三维成像微波高度计图像在海岛检测方面具有较强的应用潜力。


  海洋应用


  


  上图展示的是南海局部。图幅右侧为海洋内波,表现出多条近似平行、明暗交替的线形特征。内波波高一般要比海面波高大得多,波长短则几百米,长则上万米,监测海洋内波可为海洋气象及环境预报提供保障。


  河流湖泊


  


  上图展示的是巴彦淖尔市其周边地区。图中呈西南-东北走向的白色长丝带状地物是黄河,河道轮廓明显,走向清晰。


  山地


  


  上图展示的是位于河北省西部蔚县及其周边地区,分布有河流、山脉及城镇,地物类型较为丰富。


  大气探测——多波段紫外临边成像光谱仪


  天宫二号搭载的多波段紫外临边成像光谱仪,是国际上首次采用大视场对全球中层大气进行紫外环形、前向临边辐射特性同时探测,经过数据分析后,可得到中间层和低热层的臭氧、大气密度以及其他大气微量气体的垂直结构和三维动态分布,从而为大气科学研究和大气环境监测提供信息支撑。多波段紫外临边成像光谱仪由紫外环形成像仪和紫外前向光谱仪组成(见图5和图6)。


  


图5:紫外环形成像仪


  


图6:紫外前向光谱仪


  成像原理:


  紫外环形成像仪有3个谱段,中心波长分别为265nm(纳米)、295nm和360nm,像元分辨率为3km,采用超大视场(360°环形)对星下点和全球中层大气的环形临边紫外辐射特性进行探测。紫外环形成像仪的工作原理如图7所示。它具备同时对天底大气和临边大气多方位探测的功能,通过反演计算可以获取大气痕量气体多方位的时空分布。


  


  图7:紫外环形成像仪探测原理示意图


  紫外前向光谱仪具有120多个波段,波长范围覆盖290nm~1000nm,垂直像元分辨率为3km,采用精细光谱分辨率对前向临边大气的各谱段进行综合观测。前向光谱仪的工作原理如图8所示,在飞行器与地球的某一切线方向上,在10km~60km的大气层高度范围内,垂直方向每隔3km采集一条光谱数据,得到一组大气垂直剖面观测数据。紫外前向光谱仪具备紫外-可见-近红外大气临边成像光谱探测功能,可以对地球临边大气进行切片式探测,反映大气痕量气体的垂直分布信息,并可以获得较高的垂直分辨率。


  


  图8:紫外前向光谱仪探测原理示意图


  天宫二号紫外临边成像光谱仪将“环形”和“前向”探测方式组合,实现对地球切线方向的临边多方位探测和垂直方向的天底探测。这种对地球大气多方位、高光谱、多时空分辨率观测,将为地球大气环境探测和空间物理研究提供新的数据源,达到比一般临边探测更高水平的层析反演,属国际首创。


  


  图9:紫外环形成像仪获取的图像(265nm通道)


  


  图10:紫外环形成像仪获取的图像(295nm通道)


  


  图11:紫外环形成像仪获取的图像(360nm通道)


  图9至图11是根据紫外环形成像仪在265nm、295nm和360nm 通道获取的数据制作的伪彩色图像。图像中间有效成像区为中央视场,对应星下点5°角范围内整层大气的辐亮度分布。如图所示,不同波长处大气的吸收特性存在差别,265nm通道大气吸收较强,图像中云的信息相对较弱,而295nm和360nm通道图像中大气的轮廓和形态较为清晰。中央视场周围的6个有效成像区为环形视场,对应飞行方向的正前方、正后方、左前方、右前方、左后方、右后方共计6个方向上地球临边大气层辐亮度,6个方向组合可以实现360°对地球大气层的观测。其中265nm和295nm谱段可实现对10km~80km高度的大气层观测,360nm 可实现对10km~60km高度的大气层观测。如图所示,随着高度的变化大气的辐亮度具有明显的分层现象。


  多波段紫外前向光谱仪数据展示如下:


  


  图12紫外前向光谱仪获取的光谱图像


  图12是根据紫外前向光谱仪获取的数据制作的伪彩色图像,垂直方向表示不同的大气层高度(有效范围10km~60km),水平方向表示波长范围(290nm~1000nm)。其中光谱中不连续的地方为太阳弗朗和费谱线及大气水汽吸收带。如图所示,随着高度的上升,大气的光谱特征呈现出渐变和分层的现象。

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