2012, Vol. 55
2. 国家空间天气监测预警中心, 北京 100081;
3. 中国科学院空间科学与应用研究中心, 北京 100080
2. National Center for Space Weather, Beijing 100081, China;
3. Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China
太阳耀斑是太阳上最剧烈的局部区域爆发现象，在发生太阳耀斑的同时，往往伴随有一系列高能粒子和电磁波辐射[1].在太阳耀斑期间，到达地球的X 射线通量在8 min左右会有显著的增大，对地球热层､电离层以及上层大气都有很大的影响.因而对于太阳耀斑特性的研究在太阳物理和空间物理等领域内有着重要意义[2].随着射电天文学和航天技术的发展，观测耀斑的能谱范围扩展到射电､紫外线､X 射线､γ射线等波段[3-5].
一般把1~100Å(对应的能量范围为0.124~12.4keV)定义为软X 射线波段，它在高能端与硬X 射线相邻，在低能端与极紫外相邻.太阳在该波段的辐射全部来自高温外层大气---日冕.随着太阳空间观测的飞速发展，太阳软X 射线观测也成为太阳空间观测的重要组成部分[6-7].
由于地球大气的吸收，X 射线波段的辐射不能到达地面[8].1949 年，美国海军实验室首次用火箭作了太阳X 射线的探测；20世纪60年代，美国首次用火箭作了X 射线波段的成像观测，为探测与研究太阳外层大气中太阳活动现象迈出了重要一步.
太阳耀斑爆发时，太阳X 射线要先于耀斑粒子几小时至几天到达近地空间，利用该时间差及太阳X 射线暴特征，可以预报和警报太阳质子事件及卫星轨道空间的带电粒子扰动，所以使用卫星观测，便于对太阳作连续的监视，为研究各种尺度的太阳活动及其变化提供了现实的可能性.1964 年发射的SOLRAD(SolarRadiation)卫星是较早观测太阳软X 射线的卫星[9].1974 年美国NOAA 发射了GOES(Geostationary Operational EnvironmentalSatellite)卫星，可以持续观测0.5~4Å 和1~8Å两个能道的太阳软X 射线通量[10]，GOES15 卫星现已在轨运行.风云二号(FY-2)静止轨道气象卫星是我国自主研制的第一代静止气象业务卫星，其第一颗卫星FY-2A 于1997 年发射.
风云二号卫星为自旋稳定卫星，自旋轴垂直轨道平面误差<0.5°，自旋速率为98±1转/分(rpm)，运行中可能提高为100rpm.目前在轨的风云二号系列卫星有C､D､E 共三颗卫星，分别定点于东经86.5°，105°和123.5°的地球同步轨道，都搭载有中国科学院空间科学与应用研究中心研制的空间环境监测器，监测太阳X 射线和卫星轨道上的高能粒子通量及能谱，可用于监测太阳活动和静止轨道高能带电粒子辐射环境，对太阳耀斑､太阳质子事件和地磁扰动进行警报和现报，并为卫星的在轨安全提供保障服务.风云二号气象卫星X 射线观测数据是我国目前为数不多的自主观测X 射线流量数据源，能够有效地解决我国太阳X 射线耀斑监测预警和研究工作过分依赖国外数据的现状.
空间观测所获得的太阳X 射线爆发资料，以及这些资料与地基观测资料的综合分析，大大丰富了我们关于太阳耀斑及太阳X 射线爆发的知识，推动了对X 射线及多波段耀斑的研究.根据耀斑产生的软X 射线辐射强度，可将耀斑分成A､B､C､M､X 五个级别，即A1.0 级为1×10-8 W/m2，B1.0 级为1×10-7 W/m2，C1.0 级为1×10-6 W/m2，依次增高一个数量级[11].
通过与其他卫星进行交叉比对，可以检验风云二号卫星X 射线探测数据的准确性，为在轨定标提供依据，并为后续卫星的同类仪器提供相应参数，同时也是开展风云二号卫星太阳X 射线探测数据定量研究和应用的基础.关于风云卫星的高能粒子探测器的在轨比对和标定已开展一些相关工作，并取得了较好的成果[12-13].孔令高､王世金等在对FY-2C 卫星在轨标定中通过FY-2C 卫星观测到的某一能道的数据曲线与GOES卫星进行比对，显示两者耀斑起止时间､达到峰值流量的时间都很吻合[14].但关于风云二号系列卫星长期在轨工作期间太阳X射线探测结果的有效性检验工作尚未开展，而质量检验是开展数据定量应用的必要前提.由于太阳X射线通量具有全球性特点，在地球附近不同的位置探测太阳X 射线流量具备相近的数值和相同的变化趋势，这就使风云二号卫星太阳X 射线探测数据与国外同类卫星数据交叉比对具有了可行性.本文采用2004-2010年共85次M 级和X 级耀斑的FY-2C/D 卫星探测结果与美国GOES系列卫星X 射线探测结果进行交叉比对，以检验风云二号系列卫星X 射线探测数据的质量.本文结构如下:第二部分为比对卫星太阳X 射线探测器及数据简介，第三部分为数据归一化处理，第四部分为结果分析，结论与讨论在第五部分给出.
2 比对卫星X射线探测器及数据简介FY-2C/D 卫星均为自旋卫星，自转周期为0.612s(98转/min).太阳X 射线探测器视场角为60°.卫星每自旋一周当太阳完全进入太阳X 射线探测器视场(由太阳敏感器控制)，即太阳完全照射到正比计数器第一层铍窗时开始计数，0.064s后停止计数(电路控制该时间)，将自旋4 周后的累积光子计数作为一组数据进行存储.每组数据的累积计数时间为0.256s，时间分辨率为8.2s.
自1974年第一颗GOES卫星发射升空到现在的GOES15在轨运行，GOES卫星已经由单颗卫星提供X 射线数据发展到两颗卫星联合接收数据，0.5~4Å和1~8Å 两个能道数据均为X 射线通量的1 min 平均[10].现使用的是第3 代静止气象卫星.FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测器数据采样周期均为8.2s，共分10 个能道.表 1 和表 2 分别给出FY-2C/D 卫星的能道划分.
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表 1 FY-2C卫星X射线探测器能道表 Table 1 Energy spectrum distribution of FY-2C X-ray detector |
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表 2 FY-2D卫星X射线探测器能道表 Table 2 Energy spectrum distribution of FY-2D X-ray detector |
FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测器分为传感器和电子线路两部分.其传感器采用的是鼓形铍窗充氩气的正比计数器，根据X 射线与物质的相互作用原理工作，X 光子电离气体(氩气)，形成电荷脉冲，分析脉冲幅度可确定光子能量.
本文利用的FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测数据来源于国家卫星气象中心的风云二号空间环境数据地面接收系统.该系统具有探测数据实时处理和图形显示的能力，使太阳活动和空间扰动及时､直观地显示，便于发出警报[15].GOES 卫星的数据以及文中所选取的耀斑事件的级别､起止和峰值时间均来自于美国NOAA 地球物理数据中心(NGDC)(http://www.ngdc.noaa.gov).
3 数据归一化处理由于FY-2C/D 卫星和GOES卫星太阳X 射线探测器在仪器设计和探测原理等方面都存在一定的差异，因此不能进行简单的比对，需要对二者的探测数据进行归一化处理，然后进行交叉比对分析
.NGDC 发布的GOES 卫星太阳X 射线探测数据已经过物理量转换和定标等处理，其数值大小即为太阳X 射线通量值(单位:W/m2)，因此本文对GOES卫星数据不进行处理，而将FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测数据归一化到与GOES 卫星相同能量区间的通量值.具体转换方法如下:
(1) 太阳X 射线通量转换
FY-2C/D 卫星太阳X 射线传感器各能道原始数据为计数值，即采样周期内传感器探测到的光子数，需要将其转换为X 射线通量，具体公式如下:
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(1) |
其中，平均光子能量为各能道X 射线光子的平均能量，单位为:eV；1.6×10-19 为能量转换系数，单位为:J/eV；传感器探测效率为传感器探测到的光子数与照射到传感器表面的光子数之比，其数值大小与传感器特性及光子能量相关，该参数由地面定标结果给出；0.256为采样周期，单位为:s；0.5×10-4为传感器有效面积，单位为:m2.
(2) 能谱归一
由于FY-2C/D 卫星与GOES卫星太阳X 射线探测器能档设计存在差异，因此要对数据进行归一化处理，从而使比对对象的波段范围一致.以GOES卫星太阳X 射线探测波段为参照，对风云卫星探测结果进行拟合.X 射线通量分布满足幂律谱:
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(2) |
其中E为X 射线能量，N为该能量对应的X 射线通量，a和b为常数.利用FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测器1-7能道探测结果，按照公式(2)进行拟合可得到系数a和b，经过积分即可得到与GOES卫星相同能段的X 射线通量.
(3) 时间分辨率
本文使用的GOES 系列卫星太阳X 射线探测数据时间分辨率为1min，为方便比对，对FY-2C/D卫星探测数据进行1min平均，与GOES10卫星数据时间分辨率一致.通过以上步骤便可以将FY-2C/D 卫星的太阳X 射线探测数据转换为与GOES 卫星探测数据在相同能量区间内的同类型数据，在此基础上开展FY-2C/D 卫星与GOES卫星太阳X 射线探测数据的交叉比对分析工作.
4 结果分析 4.1 FY-2C卫星探测数据交叉比对FY-2C 卫星太阳X 射线探测器于2004 年10月27日开机，截至2006年12月，太阳共爆发M 级耀斑138次，X 级耀斑20次.由于FY-2C 卫星太阳X 射线探测器受数传能力限制，在X 射线通量较高时会出现计数饱和现象，对应的X 射线耀斑级别为M4.0级，因此本文仅对M4.0 级以下的耀斑进行分析.FY-2C 卫星和GOES10 卫星太阳X 射线探测数据共同覆盖的耀斑共有58个，具体事件列表见表 3.
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表 3 FY-2C卫星与GOES 10卫星比对M级耀斑事件列表 Table 3 Flare events for comparison between FY-2C and GOES 10 |
2004年10 月30 日的M3.7 级耀斑是FY-2C卫星X 射线探测器开机后探测到的第二个M 级耀斑，经过归一化处理后的FY-2C 卫星与GOES10卫星探测数据的比对结果如图 1所示.
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图 1 2004年10月30日耀斑事件FY-2C 卫星与GOES10卫星数据比对图 Fig. 1 Comparison of data from FY-2C and GOES 10 satellite during the flare of Oct. 30，2004 |
图 1是从世界时9:00UT 到9:40UT 的X 射线通量比对图.图中虚线为GOES10 卫星探测结果，实线为FY-2C 卫星探测结果.可以看出两条曲线在每一时间点的数据均较为接近，曲线形状基本一致，说明FY-2C 卫星探测结果与GOES10 卫星探测结果一致性较好.从曲线形状来看，9:12 UT之前两颗卫星探测到的X 射线通量均较低，说明太阳活动较平静，无耀斑爆发；自9:12 UT 开始到9:26UT，X 射线通量呈现出增大的趋势，可以理解为耀斑的预耀斑相(前相)；9:26 UT 到9:28 UT期间X 射线通量急剧增加，并在9:28 UT 时达到最大值，最大值为3.7×10-5 W/m2，对应M3.7 级耀斑，与表 3查询到的数据一致，该时段对应耀斑的爆发相(脉冲相)；9:28 UT 到9:40 UT，X 射线通量逐渐恢复到9:12UT 之前的水平，对应耀斑的渐变相(主相).
2006年12月5日太阳爆发了M1.8级耀斑，两颗卫星X 射线通量如图 2所示.
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图 2 2006年12月5日耀斑事件FY-2C 卫星与GOES10卫星数据比对图 Fig. 2 Comparison of data from FY-2C and GOES10 satellite during the flare of Dec.5，2006 |
分析图 2可知，两颗卫星探测到的X 射线数据对于耀斑的起止和峰值时间，以及峰值流量都较为一致.但由于风云卫星观测的数据中含有较高的本底，该本底水平包括电子学噪声和空间粒子辐射背景，且无法区分[13]，虽然经过了本底去除过程，但仍有残留，所以在非耀斑时段FY-2C 卫星的数据高于GOES10卫星的数据.由于风云二号卫星太阳X 射线探测器采用大张角探测方式来保证太阳始终处在探测器视场范围内，而GOES卫星太阳X 射线探测器则采用小张角加磁屏蔽的探测方式，因此风云二号卫星太阳X 射线探测器本底噪声略高于GOES卫星，但该本底对太阳耀斑的探测影响较小.
针对表 3中的每一次耀斑事件，以FY-2C 卫星探测到的X 射线通量峰值为横坐标，以GOES10卫星探测到的X 射线通量峰值为纵坐标，绘制散点图，并进行直线拟合，其结果如图 3所示.
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图 3 FY-2C 卫星与GOES10卫星数据相关关系图中x号表示探测数据，实线为拟合直线，R为相关系数，σ 为标准偏差，虚线表示±σ 范围. Fig. 3 Correlatio nbetween FY-2C and GOES 10 data Cross signs are the observation data，the solid line is the best linear fit，R is the linear correlation coefficient，σ is the standard deviation，and the dashed lines represent the range of ±σ. |
可以看出，FY-2C卫星与GOES10卫星太阳X射线通量探测结果一致性较好，相关系数R为0.795；X 射线通量峰值较为接近，拟合直线斜率为0.988；但整体来看FY-2C 卫星探测结果略小于GOES10卫星探测结果，Y轴截距为5.57×10-6 W/m2；两组数据的标准偏差为3.91×10-6 W/m2，绝大部分数据点都落在±σ 范围(即95%的置信区间)内，说明上述结果的可信度较高.
4.2 FY-2D卫星探测数据交叉比对相比于FY-2C 卫星，FY-2D 卫星X 射线探测器进行了一定改进，解决了计数饱和问题.FY-2D卫星的X 射线探测器于2006年12月13日开机，截至2010年8 月，太阳共爆发M 级耀斑28 次，X 级耀斑1次.其中2008年3月25日和2010年2月8日的M 级耀斑FY-2D 卫星探测数据缺失，其他27次具体事件列表见表 4.
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表 4 FY-2D卫星与GOES卫星比对M级耀斑事件列表 Table 4 Flare events for comparison between FY-2D and GOES satellites |
2007年6月4日太阳爆发了M8.9级耀斑，图 4和图 5分别是两颗卫星在0.5~3Å(4.1~24.8keV)和1~8Å(1.55~12.4keV)波段的比对图.
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图 4 2007年6月4日耀斑事件FY-2D 卫星与GOES10卫星0.5~3Å 数据比对图 Fig. 4 Comparison 0.5~3 Å result of FY-2D and GOES10 satellite during the flare of Jun.4，2007 |
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图 5 2007年6月4日FY-2D 卫星与GOES10卫星1~8Å 数据比对图 Fig. 5 Comparison of 1~8 Å data from FY-2D and GOES10 satellite during the flare of Jun.4，2007 |
图 4和图 5是从5:00UT 到5:20UT 的X 射线通量比对图.图中虚线为GOES10 卫星探测结果，实线是FY-2D 探测结果.可以看出两条曲线在每一时间点的数据均较为接近，曲线形状基本一致，说明FY-2D 卫星探测结果与GOES10卫星探测结果一致性较好.从曲线形状来看，5:06 UT 之前两颗卫星的数据都较小，说明太阳较平静，无耀斑爆发；自5:06UT 开始到5:10UT，X 射线通量呈现出增大的趋势，可以理解为耀斑的预耀斑相(前相)；5:10UT到5:13UT期间X射线通量急剧增加，并在5:13 UT 时达到最大值，最大值分别为2.4×105 W/m2 和1.2×10-5 W/m2，对应耀斑的爆发相(脉冲相)；5:13UT 到5:16 UT，X 射线通量渐渐恢复到5:06UT 之前的水平，对应耀斑的渐变相(主相).
2010年6月12日太阳爆发了M2.0级耀斑，图 6和图 7分别是两颗卫星在0.5~3Å(4.1~24.8keV)和1~8Å(1.55~12.4keV)波段的比对图.
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图 6 2010年6月12日FY-2D 卫星与GOES14卫星0.5~3Å 数据比对图 Fig. 6 Comparison of 0.5~3 Å data from FY-2D and GOES14 satellite during the flare of Jun.12，2010 |
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图 7 2010年6月12日FY-2D 卫星与GOES14卫星1~8Å 数据比对图 Fig. 7 Comparison of 1~8 Å data from FY-2D and GOES14 satellite during the flare of Jun.12，2010 |
分析图 6和图 7可知，两颗卫星所得到的X 射线数据对于耀斑的起止和峰值时间，以及峰值流量都较为一致.但由于风云卫星观测的数据中含有较高的本底，所以在非耀斑时段FY-2D 卫星的数据仍高于GOES 卫星的数据，耀斑级别越小，本底所占的比例越高，非耀斑期间的数据差距越大.
针对表 4中的每一次耀斑事件，以FY-2D 卫星探测到的X 射线通量峰值为横坐标，以GOES卫星探测到的X 射线通量峰值为纵坐标，绘制散点图，并进行直线拟合，其结果如图 8和图 9所示.
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图 8 同图 3，但为FY-2D 卫星与GOES卫星0.5~3Å 数据相关关系 Fig. 8 Same asFig. 3，but for correlation between FY-2D and GOES 0.5~3 Å data |
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图 9 同图 3，但为FY-2D 卫星与GOES卫星1~8Å 数据相关关系 Fig. 9 Same as Fig. 3，but for correlation between FY-2D and GOES 1~8Å data |
可以看出，FY-2D 卫星与GOES卫星太阳X 射线通量探测结果一致性较好，相关系数分别为0.921和0.989；X 射线通量峰值较为接近，拟合直线斜率分别为1.18和0.82，截距分别为3.56×10-8 W/m2 和5.09×10-6 W/m2；两组数据的标准偏差分别为1.92×10-6 W/m2 和3.24×10-6 W/m2，绝大部分数据点都落在±σ 范围(即95%的置信区间)内，说明上述结果的可信度较高.
5 结论与讨论通过将FY-2C/D 卫星X 射线探测结果拟合到与GOES卫星相同的探测能段，并针对85 次耀斑事件进行比对，可以看出，FY-2C/D 卫星与GOES卫星太阳X 射线探测结果具有较好的一致性.
(1) 通过具体耀斑事件的比对可以看出，FY-2C/D 卫星与GOES卫星在X 射线通量随时间变化的曲线轮廓，耀斑的起始､峰值和结束时间，以及峰值大小等方面都十分接近；
(2) X 射线峰值流量是确定耀斑级别的重要指标，对大量耀斑事件的X 射线峰值流量的统计表明，FY-2C/D 卫星与GOES卫星探测结果一致性较好，FY-2C 卫星与GOES10卫星的探测结果在1~8Å 波段的相关系数为0.795，标准偏差为3.91×106 W/m2，FY-2D 卫星与GOES卫星的探测结果在0.5~3 Å 和1~8 Å 波段的相关系数分别为0.921和0.989，标准偏差分别为1.92×10-6 W/m2和3.24×10-6 W/m2；
(3) 以上结果表明FY-2C/D 卫星探测结果可信度较高，可以用于X 射线耀斑的监测､预警和研究.
本文的比对试验一方面验证了FY-2C/D 卫星探测数据的有效性，另一方面为后续卫星的载荷研制和标定提供了依据.由于风云二号卫星是气象业务卫星，数据连续性较好，并积累了长期的观测数据，同时FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测数据时间分辨率也较高(8.2s)，这些探测数据将有助于深入理解太阳X 射线耀斑的观测特性和产生机制.风云二号卫星实时监测数据作为自主数据在太阳X 射线耀斑监测预警方面已经发挥了重要作用.由于FY-2E 卫星发射后处于太阳活动平静期，太阳X 射线耀斑事件数量较少，有关FY-2E 卫星太阳X 射线探测数据的质量检验工作尚未开展.即将发射的风云二号03批卫星将包括3 颗卫星，其太阳X 射线探测器得到了进一步改进，这将有助于提高我国的太阳X 射线探测水平.
从比对结果可以看出，相比于FY-2C 卫星，FY-2D 卫星太阳X 射线探测器数据质量有明显提高，这是由于FY-2D 卫星太阳X 射线探测器进行了一定的改进，提高了仪器电子学部分的数据采样时间分辨率，使得观测数据受仪器死时间的固有影响有所改善.
本文仅对FY-2C/D 卫星太阳X 射线探测数据与GOES系列卫星探测结果进行比对，在比对过程中发现，受到仪器观测方式的限制，FY-2C/D 卫星X 射线探测器本底较高，特别是X 射线通量较低时影响更为显著，对于FY-2C/D 卫星X 射线探测数据的交叉定标，以及进一步的本底去除将是今后工作的重点.
致谢感谢国家卫星气象中心风云二号卫星数据地面接收系统提供FY-2C/D 卫星太阳射线探测数据，感谢美国NOAA 地球物理数据中心提供GOES卫星数据以及耀斑事件数据.
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