刘超
,
关燚炳
,
张爱兵
,
郑香脂
,
孙越强
|
收稿日期: 2017-06-29
基金项目: 国家科技重大专项电磁监测试验卫星朗缪尔探针项目(编号：Y26604AG80)
第一作者简介: 刘超，1981年生，男，博士研究生，研究方向为空间电离层探测技术的应用。E-mail：liuch@nssc.ac.cn
中图分类号: P352.7
文献标识码: A
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摘要
由地震活动引起的电离层扰动，在前兆现象中存在着震前空间等离子体参数的变化。电磁监测试验卫星设计研制的星载朗缪尔探针载荷，可以实现对空间等离子体电子密度、电子温度等参数的测量。该载荷采用优化的球形传感器，消除了其结构与支撑杆连接处的终端效应，性能指标达到国际同类仪器的先进水平。并通过在意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所(INAF-IAPS)的地面等离子体环境下的测试，验证了该载荷在空间应用的可行性和正确性。星载朗缪尔探针载荷在中国电磁监测试验卫星任务中得到应用，为探索大地震短临预测与预警新方法提供空间观测数据，为中国地震立体观测体系的建立提供技术支撑。
关键词
朗缪尔探针, 地震遥感观测, 电磁监测试验卫星, 电离层等离子体, 电子密度, 电子温度
LIU Chao
,
GUAN Yibing
,
ZHANG Aibing
,
ZHENG Xiangzhi
,
SUN Yueqiang
Abstract
Seismic ionospheric disturbance research shows that ionospheric change caused by seismic activity exists in seismic ionospheric precursory phenomena of space plasma change before an earthquake. For example, the electronic total content (TEC), electron density (Ne), ion density (Ni), electron temperature (Te), and ion temperature (Ti) are abnormal. Therefore, monitoring earthquakes and providing an early warning is feasible by measuring pre-earthquake plasma changes. The Langmuir probe effectively detects space plasma and can be used to measure parameters such as electron density and electron temperature. The feasibility of the Langmuir probe in seismic remote sensing observation is studied based on the mission of the China seismo-electromagnetic satellite. The Langmuir probe payload consists of three parts: a sensor, an extension rod, and an electronics box. The sensor has a spherical configuration; its upper hemisphere is a collecting electrode, and its lower hemisphere is a protective electrode. The same sweep voltage is applied to the upper and lower hemispheres to eliminate the terminal effect of the connecting point between the traditional spherical structure and the boom. The sensor surface is coated with TiN material to ensure uniform surface work function and to prevent space atomic oxygen erosion. The Langmuir probe is designed with two sensors, each of which is redundant. The plasma environment calibration test of the Langmuir probe flight model was conducted in INAF-IAPS. The test method measures the electron density and temperature at six different distances from the plasma source and compares the results with the measured results of the INAF-IAPS reference Langmuir probe. The calibration test result shows that the Langmuir probe test data are consistent with the test data of the INAF-IAPS reference Langmuir probe. Thus, the design of the Langmuir probe can achieve the missions of the satellite. The scientific data of the Langmuir probe include level 0, level 1, and level 2 data. The interference is removed from the raw data, the error is corrected, and repetition is eliminated to generate level 0 data. The level 0 data are revised by calibration parameters to produce level 1 data, which are preliminary physical data. The level 2 data are the final physical data, which contain geographic and geomagnetic coordinates, satellite time, space position, and satellite attitude information. With the launch of the China seismo-electromagnetic satellite, the Langmuir probe is applied for the first time in the field of earthquake remote sensing observation in China. The electron density and temperature are obtained by the Langmuir probe, and the ion density and temperature are obtained by a plasma analyzer. Other space electromagnetic information is obtained by an electric field instrument and a magnetometer. These data are studied synthetically to provide a new method for seismic stereoscopic observation and exploration for early earthquake prediction.
Key words
Langmuir probe, seismic remote sensing observation, electromagnetic monitoring test satellite, ionosphere plasma, electron density, electron temperature
1 引 言
电磁监测试验卫星是响应国务院发布的《国家防震减灾规划(2006—2020)》提出的天地一体化地震立体监测网络发展的要求，发展天基地震监测手段的第一步。其轨道高度为500 km左右，主要目标是获取全球电磁场、等离子体、高能粒子等遥感数据，总结地震电离层扰动特征，开展大地震短临预报的研究，为大地震预测研究、预报实践提供有价值的前兆信息。
在探测电离层等离子体领域，朗缪尔探针是一种有效的探测技术，它可以就位测量空间等离子体的电子密度(Ne)、电子温度(Te)等特性参数。朗缪尔探针的基本理论体系是由美国科学家Irving Langmuir等研究并建立的，目前很多卫星均搭载有朗缪尔探针，如法国DEMETER卫星(Lebreton 等，2006)、国际太空站(Swenson 等，2003)以及美国DMSP卫星(Park 等，2008)等。
朗缪尔探针作为电磁监测试验卫星的科学载荷之一，是朗缪尔探针探测技术在中国卫星领域的首次应用，也是在中国地震遥感观测中的首次应用，其科学目标如下：
(1)就位监测卫星轨道等离子体参数(Ne、Te)，积累电离层等离子体环境数据；
(2)提供电离层等离子体电子异常信息，配合其他载荷在轨探测和地面观测台网资料，探索大震短临预测与预警新方法。
2 朗缪尔探针在地震遥感观测中的应用原理
2.1 地震电离层效应机理
Barnes(Leonard和Barnes，1965)在1964年阿拉斯加大地震时，发现电离层有扰动现象，这是第一次发现电离层的扰动与地震的发生两者之间存在某种关联性。数十年来的大量测量研究表明，由地震活动引起的电离层变化是确实存在的(Liu 等，2000；Silina 等，2001)，而且电磁异常是对短临地震反映最敏感的前兆现象(Bleier和Freund，2005)。
目前，对地震前出现电磁异常的初步研究认为，在地震孕育过程中地壳应力、应变条件的变化，使岩石或裂隙(或孔隙)发生运动或变形，从而发生压电、压磁效应、摩擦生电、生磁效应等现象，激发地壳内环境电磁场发生异常变化。这些异常变化在地壳和周围空间传播或辐射，且由于地球—大气层—电离层之间的耦合作用，使得这些地震前兆异常信号在向空间传播过程中被放大，因此引起电离层电磁场和粒子的明显扰动(图1)(赵国泽 等，2007)。
地震电离层扰动按照机理可以划分为4个方面：低频电磁扰动、等离子体变化、高能粒子扰动和地球辐射通量变化(杨芳 等，2008)。
Hobara等人(2013)和Zhang等人(2014)研究表明，在大地震前等离子体变化主要表现在电子总含量(TEC)，电离层(F2层)的临界频率(
2.2 朗缪尔探针探测基本原理
朗缪尔探针的基本工作原理是将传感器浸入到空间等离子体中，传感器收集等离子体中的电子和离子，形成从等离子体到探针的电流。当给传感器施加一个扫描电压，传感器收集的等离子体电流就会随着给传感器施加的扫描电压的变化而变化，得到传感器和等离子体相互作用的I—V特性曲线(图2)(Chen，2003)。
图2中的
3 电磁监测试验卫星朗缪尔探针载荷
3.1 性能指标
根据国际电离层参考模型IRI-2007，空间500 km轨道高度，等离子体电子密度的通常动态范围为3×103—3×106cm–3，等离子体电子温度的通常动态范围为1000—4000 K。在极光、地磁暴、电离层暴等剧烈扰动的情况下，电子密度会有几个到几十个百分点的变化，极严重时可能会有成倍的增长。另外，赤道等离子体泡中的密度变化较为剧烈，可能会降低一个数量级。由以上分析可知，朗缪尔探针性能指标电子密度5×102—1×107cm–3的测量范围和电子温度500—10000 K的测量范围完全能够满足探测任务需求。电磁监测试验卫星朗缪尔探针载荷的性能指标如表1，其性能指标达到了国际同类仪器的先进水平，与国际同类仪器的性能指标比对如表2所示。
表 1 朗缪尔探针载荷的性能指标
Table 1 Performance of the Langmuir probe
| 序号 | 指标项目 | 性能指标 |
| 1 | 电子密度/cm–3 | 5×102—1×107 |
| 2 | 电子温度/K | 500—10000 |
| 3 | 电子温度相对精度/% | 优于10 |
| 4 | 电子密度相对精度/% | 优于10 |
表 2 朗缪尔探针与国际同类仪器的性能指标比对
Table 2 Performance of Langmuir probe compared with similar international instruments
| 性能指标 | 卫星名称 | ||
| 电磁监测试验
卫星CSES |
法国Demeter
卫星 |
美国DMSP
卫星 |
|
| 电子密度/cm–3 | 5×102—1×107 | 1×102—5×106 | 1×102—1×106 |
| 电子密度
相对精度 |
优于10% | — | ±50% |
| 电子温度/K | 500—10000 | 500—3000 | 500—9000 |
| 电子温度
相对精度 |
优于10% | 10% | ±10%或±200 K |
3.2 方案设计
朗缪尔探针由传感器、伸杆和电子学箱3部分组成。仪器构型进行了一体化设计，传感器伸杆固定在电子学箱顶面，传感器安装在伸杆顶端，组成示意图如图3所示。
朗缪尔探针的传感器采用上下半球的构型，如图4。上半球和下半球均加载相同的扫描电压，其中上半球为收集电极，下半球为保护电极，中间通过绝缘材料隔离。保护电极的设计消除了传统球形结构与支撑杆连接处的终端效应，使收集极具有接近理想的结构模型，且各向同性的电场电位分布，对背景空间等离子体环境影响小，基本不受磁场影响(刘超 等，2012)。另外，朗缪尔探针设计有2个传感器，分别为传感器1和传感器2，二者互为冗余。
朗缪尔探针传感器的结构材料选择钛合金，表面进行TiN镀膜处理(Eriksson 等，2007)。TiN薄膜可提高传感器表面的机械性能和化学稳定性，同时保证其导电性和均匀的表面功函数，满足在轨探测的要求。
在兰州物理研究所表面工程技术国家级重点实验室对传感器表面TiN薄膜进行了工艺鉴定。工艺鉴定项目包括膜层导电性、膜层厚度、膜层硬度、表面粗糙度、膜层结合力和表面功函数等的性能检测，工艺试验项目包括耐原子氧腐蚀性试验和耐温度冲击性试验(刘超 等，2016)。传感器表面TiN薄膜的性能检测结果如表3所示。
表 3 传感器表面TiN薄膜的工艺鉴定结果
Table 3 Process identification results of sensor surface TiN coating
| 膜层特性 | 指标要求 | 检测与试验结果 | 备注 |
| 膜层导电性 | 弧面上最远两点间电阻<0.5 Ω | 0.2 Ω | 合格 |
| 膜层厚度 | >1 μm | 1.41—1.62 μm | 合格 |
| 膜层结合力 | 通过2—4 N/cm拉带试验 | 试验后，膜层均无翘起、分离、开裂等现象 | 合格 |
| 膜层硬度 | >2000 Hv | 2001.5—2280.4 Hv | 合格 |
| 表面粗糙度 | <0.4 μm | 0.08—0.15 μm | 合格 |
| 表面功函数 | 均一性<15 meV | 9.02—12.36 meV | 合格 |
| 耐原子氧腐蚀性 | 原子氧总通量2.3×1021 OA/cm2; 剥蚀厚度<0.5 μm | 试验后，剥蚀厚度<0.02 μm | 合格 |
| 耐温度冲击性 | 试验温度范围：–90℃—+90℃；试验次数：不小于100次 | 试验后，膜层均无翘起、分离、开裂等现象 | 合格 |
朗缪尔探针的电子学设计主要包括扫描电压加载电路、传感器信号输出电路、DPU控制与处理电路、与卫星的接口电路以及供电电源电路等部分组成，如图5。基本工作过程是由FPGA控制DA芯片产生连续的扫描电压，加载到传感器上。传感器随着扫描电压的变化，收集到空间等离子体的电流信号，经过前放电路、差分电路，形成相应的电压信号输出。该输出电压信号由FPGA控制AD芯片进行数据采集，同时对采集的电压信号进行阈值判断、设定量程，确保前放电路输出的电压信号始终保持一个很高的信噪比，从而实现传感器收集的微小电流信号的精确测量。前放输出电压、扫描电压和当前量程，由FPGA保存形成朗缪尔探针的原始数据，发送给卫星平台。
3.3 科学数据处理
朗缪尔探针的科学数据包括0级数据、1级数据和2级数据。其中，0级数据是经过解扰、纠错、去重等处理后得到的科学数据。1级数据是对0级数据进行格式转换、定标处理后得到的物理量数据。2级数据是对1级数据进行坐标变换、反演后生成的带有地理和地磁坐标系、时间、位置和姿态信息的物理量数据。
朗缪尔探针在轨测量获取的是传感器加载扫描电压和收集电流的对应关系，即I—V特性曲线。因此，科学数据处理方法是对I—V特性曲线(电学量)进行数学物理反演获得等离子体特性参数(物理量)的过程。数据处理的步骤如下：
(1)找出I—V特性曲线中的关键点，即朗缪尔探针悬浮电位点Uf和空间等离子体电位点Up。悬浮电位点是朗缪尔探针I—V特性曲线中电流为0对应的点。空间等离子体电位点是朗缪尔探针扫描电压和空间等离子体电位相等的点，也是I—V特性曲线中电子阻滞区和电子饱和区的转折点。当
| ${I_{\rm{e}0}} = A{Ne}\,{\rm{e}}\sqrt {\frac{{{\rm{k}}{T_{\rm{e}}}}}{{2\text{π} {m_{\rm{e}}}}}} $ | (1) |
| ${I_{{\rm{i}}0}} = {A_{\rm{s}}}{Ni}\,{\rm{e}}v$ | (2) |
式中，A和As分别为朗缪尔探针传感器的表面积和横截面积；Ne和Ni为等离子体的电子密度和离子密度；k为波尔兹曼常量；e为基本电荷常量；me为电子的质量；v为航天器的飞行速度。
(2)拟合离子电流。在离子饱和区，可以近似认为传感器收集的电流仅为离子电流
(3)计算电子电流。将传感器收集的总电流I减去离子电流
(4)得到电子温度(表4)。在电子阻滞区，传感器收集的电子电流与传感器加载扫描电压之间呈指数关系，即
| ${I_{\rm{e}}} = {I_{{\rm{e}}0}}\exp \left(\frac{{{\rm{e}}({U_{\rm{s}}} - {U_{{\rm{sp}}}})}}{{{\rm{k}}{T_{\rm{e}}}}}\right)$ | (3) |
两边求对数可得
| $\ln {I_{\rm{e}}} ={\rm{C}} + \frac{{{\rm{e}}{U_{\rm{s}}}}}{{{\rm{k}}{T_{\rm{e}}}}}$ | (4) |
式中，
表 4 电子密度处理结果
Table 4 Results of electron density processing
| 电子密度/m–3 | 电子温度1000 K | 电子温度3000 K | 电子温度6000 K |
| 1.00×109 | 1.000×109 | 1.000×109 | 9.982×109 |
| 1.00×1010 | 9.999×109 | 9.999×109 | 9.982×109 |
| 1.00×1011 | 9.999×1010 | 9.999×1010 | 9.982×1010 |
| 1.00×1012 | 9.999×1011 | 9.998×1011 | 9.982×1011 |
(5)得到电子密度(表5)。在I—V特性曲线中找出空间等离子体电位
| ${Ne} = \frac{{{I_{{\rm{e}}0}}}}{{{\rm{e}} \times A}}\sqrt {\frac{{2\text{π} {m_{\rm{e}}}}}{{{\rm{k}}{T_{\rm{e}}}}}} $ | (5) |
表 5 电子温度处理结果
Table 5 Results of electron temperature processing
| 电子温度/K | 电子密度1.00×109m–3 | 电子密度1.00×1010m–3 | 电子密度1.00×1011m–3 | 电子密度1.00×1012m–3 |
| 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 |
| 6000 | 5999 | 5992 | 5992 | 5992 |
(6)多次迭代。有时由于外部干扰因素的影响，电子阻滞区和电子饱和区的转折点并不明显，求取的空间等离子体电位
对该数据处理的步骤进行了仿真测试，测试过程为：首先设定已知电子密度、电子温度对应的扫描电压值和收集电流值；然后对设定的扫描电压值和收集电流值进行数据处理，处理结果和抑制的电子密度和电子温度进行比对。
表4中第一行为设定的已知电子温度，第一列为设定的已知电子密度。数据处理获得的电子密度与设定的电子密度比对，误差小于2‰。表5中第一行为设定的已知电子密度，第一列为设定的已知电子温度。数据处理获得的电子温度与设定的电子温度比对，误差小于1‰。
3.4 地面测试验证
电磁监测试验卫星朗缪尔探针飞行件产品在意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所(INAF-IAPS)进行了等离子体环境下的定标测试试验。意大利INAF-IAPS的等离子体模拟实验设备具有国际领先水平，该设备以氩气(Ar)为工作介质，可以模拟电子温度1000—4000 K，电子密度1×105—2×106cm–3范围的空间等离子体环境。
意大利IAPS等离子体模拟实验设备产生的等离子体参数不可任意调整，试验利用电子密度在等离子体真空罐内的梯度分布，通过改变朗缪尔探针的罐内位置，在相对于等离子体源不同的位置点进行测量。朗缪尔探针飞行件产品在鉴定产品试验的经验上，将测试位置点增加到6个，分别为3.0 m、2.8 m、2.6 m、2.4 m、2.2 m、2 m。可以与意大利设备自带的朗缪尔探针在2.8 m、2.6 m、2.4 m、2.2 m、2 m等5个位置点的测量结果进行比对。由于意大利设备移动平台的限制，其自带的朗缪尔探针无法移动到3.0 m处。地面测试试验获得的电子密度测量结果如图6所示。
图6中实线是电磁监测试验卫星朗缪尔探针在6个位置点下的测量结果，虚线是意大利设备朗缪尔探针在5个位置点下的测量结果。通过图6分析可知，朗缪尔探针测量的电子密度，随着相对等离子体源距离的增加而逐渐变小，符合等离子体罐内等离子体分布的物理变化规律，与意大利设备朗缪尔探的测试结果比较接近，且两者具有相同的梯度变化规律，试验结果验证了朗缪尔探针能够实现对等离子体变化状态的正确测量。
由于朗缪尔探针地面测试验证的电子密度参数范围仅为2.5×1011—4.5×1011m–3，远小于其性能指标要求的测量范围。因此，地面测试验证的结果须结合电子学电路的实验室测试结果，实现整个测量范围的指标分析验证。
4 结 论
朗缪尔探针是探测空间等离子体的有效方法，可以实现对电子密度、电子温度等参数的测量。本文根据电磁监测试验卫星的任务要求，设计研制了星载朗缪尔探针载荷，该载荷对传感器进行了创新设计，消除了传统球形结构与支撑杆连接处的终端效应。对传感器的表面TiN镀层进行了工艺鉴定，验证其耐原子氧腐蚀性和耐温度冲击的特性。该载荷在意大利INAF-IAPS进行的地面试验结果，表明了其性能满足在轨任务的需求。
朗缪尔探针作为电磁监测试验卫星载荷，实现了在中国地震遥感观测领域的首次应用。朗缪尔探针在轨探测获得的电子密度、温度信息可以与等离子体分析仪载荷获得的离子密度、温度信息进行比对分析，形成全面的空间等离子体信息。同时，朗缪尔探针在轨数据和电场仪、磁强计等载荷获得的其他空间电磁信息，并结合全球地震数据进行综合研究，将为中国的地震立体观测以及探索大地震短临预测提供新的方法。
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