任 仁 陳賢祥 夏善紅 呂元生②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

電離層和磁層電場(chǎng)是空間物理和空間環(huán)境一個(gè)重要參數(shù)，太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴、地殼運(yùn)動(dòng)與人類活動(dòng)等都會(huì)引起電離層和磁層電場(chǎng)的變化[1,2]。研究電離層和磁層電場(chǎng)、電流的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及產(chǎn)生和演變的過程，有助于深入認(rèn)識(shí)和研究電離層的動(dòng)力學(xué)行為；同時(shí)，對(duì)太空中電磁環(huán)境和等離子體特性進(jìn)行探測(cè)，研究電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電離層參量變化的相關(guān)性，可以用于地震、火山等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，用于空間天氣對(duì)人類活動(dòng)(包括通訊、導(dǎo)航和GPS定位等)的影響研究。無(wú)論是研究空間天氣通過磁層和電離層對(duì)人類活動(dòng)的影響，還是研究地殼運(yùn)動(dòng)與人類活動(dòng)對(duì)電離層和磁層的影響，都需要對(duì)電離層和磁層電場(chǎng)進(jìn)行高精度的探測(cè)。

從地面對(duì)電離層和磁層的觀測(cè)研究，由于受到地理位置、自然條件和資金等的影響，只能對(duì)電離層和磁層的一些局部區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)和研究，難以獲得全球電離層和磁層的信息。而在軌探測(cè)則具有全天候、全方位的時(shí)間與空間優(yōu)勢(shì)。通過連續(xù)觀測(cè)全球電離層和磁層變化規(guī)律，可以建立全球電磁場(chǎng)模型和全球電離層模型。作為空間環(huán)境探測(cè)的關(guān)鍵載荷，國(guó)外Cluster II, Compass II, Demeter等多顆衛(wèi)星上都配置了星載電場(chǎng)探測(cè)儀。歐空局的Cluster II衛(wèi)星上同時(shí)配置了雙探針式和電子漂移式兩種電場(chǎng)探測(cè)儀[3]，其中雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀的工作頻段為0～32 kHz，電子漂移式電場(chǎng)探測(cè)儀的工作頻段低于10 Hz。俄羅斯Compass II衛(wèi)星上配置的是天線式電場(chǎng)探測(cè)儀[4]，工作頻段是 100～15 MHz。法國(guó)于2004年發(fā)射的Demeter低軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星上配置的是雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀[5]，其工作頻段為 0～3.2 MHz。

本文介紹了中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所在國(guó)內(nèi)首先研制的雙探針式星載電場(chǎng)探測(cè)儀，主要用于空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，分別從檢測(cè)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、測(cè)試方法3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后給出了雙探針式星載電場(chǎng)探測(cè)儀的測(cè)試結(jié)果。

2 檢測(cè)原理

根據(jù)工作原理，星載電場(chǎng)探測(cè)儀主要分為雙探針式、天線式和電子漂移式三大類。其中，雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀的工作原理如圖1所示，通過測(cè)量電離層中兩點(diǎn)之間的電位差再除以兩點(diǎn)之間的距離得到所要探測(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在太空中布置多個(gè)連線兩兩正交的探頭即可實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體環(huán)境中3維電場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量。天線式電場(chǎng)探測(cè)儀是應(yīng)用天線原理來(lái)測(cè)量環(huán)境電場(chǎng)；電子漂移式電場(chǎng)探測(cè)儀是根據(jù)測(cè)量電子槍發(fā)射的電子在電場(chǎng)與磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間等參數(shù)來(lái)間接測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度[6]。

圖1 雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀工作原理

這幾類電場(chǎng)探測(cè)儀各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體的性能比較見表 1，電子漂移式電場(chǎng)探測(cè)儀的優(yōu)點(diǎn)是受衛(wèi)星本體電位的影響較小，但工作頻帶較窄，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的大小有要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂；雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀的優(yōu)點(diǎn)在于工作頻段寬，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)無(wú)要求，對(duì)高能電子和磁場(chǎng)的變化不敏感，其缺點(diǎn)是易受衛(wèi)星本體電位大小的影響。而天線式電場(chǎng)探測(cè)儀只能測(cè)量數(shù)十kHz以上的電場(chǎng)值，不能測(cè)量直流和低頻段的電場(chǎng)信號(hào)。

在這3類星載電場(chǎng)探測(cè)儀中，雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀具有工作頻段寬，直流可測(cè)，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)無(wú)要求等優(yōu)點(diǎn)。雖然雙探針式電場(chǎng)探測(cè)儀易受衛(wèi)星充電效應(yīng)的影響，但是可以通過對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在衛(wèi)星平臺(tái)上的合理安裝與布局來(lái)克服，所以最終采用了雙探針式電場(chǎng)測(cè)量方案。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 敏感探頭

電離層環(huán)境電位通過等離子體阻抗耦合到探測(cè)儀的球形探頭上。在直流段與低頻段，起主要作用的是耦合電阻。耦合電阻的大小與粒子種類、粒子能量和探頭的半徑有關(guān)，在700 km高的電離層中，該耦合電阻的大小約為1 MΩ左右。當(dāng)衛(wèi)星位于地球南北兩極的上空時(shí)，粒子濃度較低、能量較高，耦合電阻較大。為了避免由于等離子體環(huán)境的變化引起該耦合電阻的變化，從而造成對(duì)等離子體電位測(cè)量的誤差，要求探頭前置放大器的輸入電阻盡量高，在這里選擇了JFET輸入級(jí)的運(yùn)放，其輸入電阻在1011Ω以上。在普通軌道耦合電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)，但在一些等離子體的耗盡區(qū)域(比如極區(qū))，等離子體濃度較小，此時(shí)的耦合電阻較大，通過對(duì)探頭偏置電壓大小和方向的調(diào)節(jié)，改變探頭的偏置電流，從而使探頭與周圍等離子體之間的耦合阻抗控制在1 MΩ以內(nèi)，保證探頭內(nèi)部前置放大器的測(cè)量精度。圖2為星外敏感探頭的工作原理圖。其中敏感探頭內(nèi)的檢測(cè)電路主要完成如下3個(gè)功能：等離子體環(huán)境電位信號(hào)的檢測(cè)，偏置電流調(diào)節(jié)，探頭內(nèi)的溫度測(cè)量。圖3為探頭實(shí)物照片。

3.2 探頭布局與頻段劃分

為實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體環(huán)境電場(chǎng)的正交三分量探測(cè)，在衛(wèi)星平臺(tái)周圍配置不共面的4個(gè)星外敏感探頭以獲取電離層的3維電場(chǎng)信息。已有研究[7-10]表明影響探頭測(cè)試精度的主要因素為衛(wèi)星平臺(tái)的充放電效應(yīng)以及探頭在衛(wèi)星平臺(tái)上的安裝方式。安排探頭與衛(wèi)星平臺(tái)的布局如圖4所示。

表1 不同工作原理電場(chǎng)探測(cè)儀的性能比較

圖2 敏感探頭工作原理

圖3 敏感探頭實(shí)物

E1,E2兩探頭通過伸桿與衛(wèi)星平臺(tái)連接，向上伸展布置，避開衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板；在與E1,E2連線垂直的方向上，將E3,E4兩個(gè)探頭朝下布置，兩個(gè)探頭的連線與衛(wèi)星飛行方向的夾角大于5°，避免探頭和伸桿相互之間形成尾跡效應(yīng)的影響。另外，4個(gè)探頭距離衛(wèi)星平臺(tái)的距離需要大于3 m，以減小衛(wèi)星平臺(tái)和太陽(yáng)能帆板帶電對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響；同時(shí)要保證探頭遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的尾跡區(qū)域。

圖4 探頭在衛(wèi)星上的布局示意圖

測(cè)量的電場(chǎng)是在電場(chǎng)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星坐標(biāo)下分析使用。針對(duì)圖4的布局方式計(jì)算得到電離層中正交的三分量電場(chǎng)信號(hào)為

其中l(wèi)為探頭間距，x,y,z為探頭坐標(biāo)。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)電場(chǎng)探測(cè)儀坐標(biāo)系下的三分量電場(chǎng)由3組差分信號(hào)組成，分別為：E12=E1-E2,E34=E3-E4和E13=E1-E3。若E1和E3中任何一個(gè)不能正常工作，都會(huì)影響到兩個(gè)分量的電場(chǎng)矢量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過對(duì)電路施加遙控指令來(lái)選擇E2或E4代替其中失效的探頭，以確保E1和E3其中一個(gè)探頭失效時(shí)，還能得到兩個(gè)方向的電場(chǎng)矢量信號(hào)。

根據(jù)需要的信號(hào)測(cè)量和處理精度，將電場(chǎng)信號(hào)劃分為如下3個(gè)頻段共8個(gè)通道：

(1)DC/SLF(0-300 Hz)：接收來(lái)自前端模擬單元的4路直流和準(zhǔn)直流信號(hào)，用4片24位ADC以3 kHz采樣率獲得連續(xù)波形數(shù)據(jù)。

(2)VLF(200 Hz-30 kHz)：接收3路VLF頻段信號(hào)，用3片16位ADC以300 kHz的采樣率獲得連續(xù)波形數(shù)據(jù)。

(3)HF(20 kHz-10 MHz)：由控制單元選擇一路HF頻段信號(hào)，用1片12位ADC以40 MHz的采樣率獲得連續(xù)波形數(shù)據(jù)。

3.3 采集和處理單元

模擬單元對(duì)輸入的4組探頭模擬信號(hào)依次進(jìn)行低噪聲放大和差分組合放大處理，經(jīng)開關(guān)切換選擇后形成8個(gè)通道，每個(gè)通道分別進(jìn)行低通或帶通濾波形成不同頻段，再經(jīng)過阻抗匹配放大后送到數(shù)字單元進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。其基本原理框圖如圖5所示。

圖6是實(shí)際電路的頻率響應(yīng)曲線。由測(cè)試曲線可以看出，3個(gè)頻段區(qū)分明顯，電路很好地實(shí)現(xiàn)了頻段劃分功能，四階濾波也很好地保證了截止頻率特性。

電場(chǎng)探測(cè)儀的信號(hào)處理與控制系統(tǒng)為數(shù)字電路組成，其原理框圖如圖7所示。主要實(shí)現(xiàn)的功能有多通道模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的預(yù)處理和打包傳輸，解譯遙控遙測(cè)指令，各單元控制信號(hào)生成，分析計(jì)算載荷工作參數(shù)，監(jiān)視、控制與切換載荷的工作狀態(tài)。

圖5 模擬信號(hào)處理單元框圖

圖6 頻率響應(yīng)曲線

衛(wèi)星運(yùn)行過程中，探頭相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)稱放置，伸桿切割磁力線，從而在伸桿上會(huì)產(chǎn)生電位方向相反，大小近似相等的感生電動(dòng)勢(shì)，使得探頭電流收集特性變化，導(dǎo)致電壓測(cè)量誤差。與法國(guó)Demeter衛(wèi)星等電場(chǎng)探測(cè)儀不同的是，在探頭偏置電壓控制單元的基礎(chǔ)上，增加了伸桿偏置電壓主動(dòng)控制單元。采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)伸桿主動(dòng)電位控制的作用進(jìn)行了仿真，分別設(shè)置伸桿相對(duì)于探頭電壓為+4 V,+2 V, 0 V,-2 V,-4 V，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖可知，當(dāng)伸桿相對(duì)于探頭為正電壓時(shí)，會(huì)引起探頭的電流收集特性發(fā)生較大的改變，從而影響探頭上的測(cè)量電壓，增加額外的電場(chǎng)測(cè)量誤差；當(dāng)對(duì)伸桿施加負(fù)的主動(dòng)電壓控制時(shí)，探頭電流收集特性較為一致，對(duì)探頭測(cè)量電壓的影響非常小。因此，對(duì)伸桿主動(dòng)施加負(fù)的偏置電壓控制，可以大為降低伸桿上感生電動(dòng)勢(shì)對(duì)星載電場(chǎng)探測(cè)儀電場(chǎng)測(cè)量精度的影響。

圖8 伸桿主動(dòng)電位控制的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果

4 測(cè)試

由于在地面上難以產(chǎn)生內(nèi)部有標(biāo)準(zhǔn)均勻電場(chǎng)的等離子體環(huán)境，所以對(duì)電場(chǎng)探測(cè)儀的地面測(cè)試標(biāo)定和法國(guó)Demeter以及歐空局Cluster II衛(wèi)星一樣，根據(jù)其探測(cè)原理采用間接標(biāo)定方式。即使用并聯(lián)的等效電阻、電容來(lái)模擬電場(chǎng)探測(cè)儀在太空實(shí)際探測(cè)過程中星外敏感探頭與等離子體環(huán)境之間的耦合電阻與耦合電容。將敏感探頭置于電磁屏蔽性能良好的電場(chǎng)標(biāo)定箱中，通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)通過模擬耦合電阻和電容加載至敏感探頭，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)電場(chǎng)探測(cè)儀的測(cè)試和標(biāo)定工作。

圖9 噪聲幅度譜

在應(yīng)用中最關(guān)鍵的指標(biāo)為整個(gè)系統(tǒng)的噪聲本底狀況，圖9所示為3個(gè)頻段的噪聲幅度譜測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示：SLF頻段的噪聲本底小于 4 μVm-1H z-1/2,VLF頻段的噪聲本底小于 1 μVm-1H z-1/2, HF頻段的噪聲本底小于 0.5 μVm-1H z-1/2。法國(guó) Demeter衛(wèi)星電場(chǎng)探測(cè)儀的性能指標(biāo)為：SLF頻段噪聲本底小于 10 μVm-1H z-1/2, VLF頻段的噪聲本底小于1 μVm-1H z-1/2, HF頻段的噪聲本底小于0.2 μVm-1H z-1/2。兩相對(duì)比，本文研制的雙探針式星載電場(chǎng)探測(cè)儀的 SLF頻段噪聲本底優(yōu)于法國(guó)Demeter衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)儀，VLF頻段的噪聲本底與法國(guó)Demeter衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)儀相當(dāng)，HF頻段的噪聲本底略大于Demeter衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)儀。

5 結(jié)束語(yǔ)

空間對(duì)地觀測(cè)比較于地面觀測(cè)具有觀測(cè)范圍廣,不受地面自然條件限制的優(yōu)勢(shì)。采用星載電場(chǎng)探測(cè)儀對(duì)電離層和磁層電場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，在日地空間物理研究、空間天氣通過磁層和電離層與人類活動(dòng)的互相影響研究等方面都具有重要意義。本文介紹了雙球式星載電場(chǎng)探測(cè)儀的工作原理，從探頭設(shè)計(jì)、星上布局、系統(tǒng)頻段劃分、采集處理單元和測(cè)試標(biāo)定方法等多個(gè)方面對(duì)星載電場(chǎng)探測(cè)儀的研制進(jìn)行了詳述，通過對(duì)伸桿實(shí)施主動(dòng)電位控制，減少了伸桿切割磁力線帶電對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響。研制出的星載電場(chǎng)探測(cè)儀的原理樣機(jī)，將工作頻率上限提高到10 MHz，測(cè)試結(jié)果表明雙探針式電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)方案可行，性能指標(biāo)與國(guó)外同類儀器相當(dāng)。

[1]Sharma A K, Patil A V, Haridas R N,et al.. Detection of ionospheric perturbations associated with earthquake using data of IAP and ISL instruments of DEMETER satellite [C].General Assembly and Scientific Symposium, Istanbul,Turkey, 2011: 1-4.

[2]Yamauchi T, Yoshida M, and Hayakawa M. The wave-like structures of ionospheric perturbation associated with Sumatra earthquake of 26 December 2004, as revealed from VLF observation in Japan of NWC signals Takumi Horie[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007,69(9): 1021-1028.

[3]Paschmann G,et al.. The electron drift instrument on cluster:overview of first results[J].Annales Geophysicae, 2001,19(10): 1273-1288.

[4]Kuznetsov V D, Bodnar L, Garipov G K,et al.. Orbital monitoring of the ionosphere and abnormal phenomena by the small Vulkan-Compass-2 satellite[J].Geomagnetism and Aeronomy, 2011, 51(3): 329-341.

[5]Berthelier J J, Godefroya M, Leblanca F,et al.. ICE, the electric field experiment on DEMETER[J].Planetary and Space Science, 2006, 54(5): 456-471.

[6]Eriksson A I, Andre M, Klecker B,et al.. Electric field measurement on Cluster: comparing the double-probe and electron drift techniques[J].Annales Geophysicae, 2006,24(1): 275-289.

[7]楊集, 陳賢祥, 夏善紅. 低軌道衛(wèi)星表面充電模擬[J]. 微納電子技術(shù), 2007, 44(7): 25-27.

Yang Ji, Chen Xian-xiang, and Xia Shan-hong. Numerical simulation of low earth orbit satellite charging[J].Micronanoelectronic Technology, 2007, 44(7): 25-27.

[8]Chen Xian-xiang, Ren Ren, Yang Ji,et al.. Double-probe spaceborne electric field sensor for earthquake precursor detection in ionosphere[C]. The 4th International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging, Beijing, May 24-26, 2011: 411-412.

[9]Chen Xian-xiang, Yang Ji, Ren Ren,et al.. Numerical simulation of the influence of cylindric electrode length on double-probe spaceborne electric field sensor[C]. The 4th International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging, Beijing, May 24-26, 2011: 415-416.

[10]楊集, 陳賢祥, 周杰, 等. 伸桿對(duì)星載電場(chǎng)探測(cè)儀的影響研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2009, 31(4): 1010-1012.

Yang Ji, Chen Xian-xiang, Zhou Jie,et al.. Study of the influence of booms on spaceborne electric field sensors[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2009, 31(4):1010-1012.