空間電磁環境監測用雙探針式星載電場探測儀

任 仁 陳賢祥 夏善紅 呂元生②

①(中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院研究生院 北京 100049)

1 引言

電離層和磁層電場是空間物理和空間環境一個重要參數，太陽活動、磁暴、地殼運動與人類活動等都會引起電離層和磁層電場的變化[1,2]。研究電離層和磁層電場、電流的結構、形態以及產生和演變的過程，有助于深入認識和研究電離層的動力學行為；同時，對太空中電磁環境和等離子體特性進行探測，研究電場、磁場和電離層參量變化的相關性，可以用于地震、火山等自然災害的監測，用于空間天氣對人類活動(包括通訊、導航和GPS定位等)的影響研究。無論是研究空間天氣通過磁層和電離層對人類活動的影響，還是研究地殼運動與人類活動對電離層和磁層的影響，都需要對電離層和磁層電場進行高精度的探測。

從地面對電離層和磁層的觀測研究，由于受到地理位置、自然條件和資金等的影響，只能對電離層和磁層的一些局部區域進行觀測和研究，難以獲得全球電離層和磁層的信息。而在軌探測則具有全天候、全方位的時間與空間優勢。通過連續觀測全球電離層和磁層變化規律，可以建立全球電磁場模型和全球電離層模型。作為空間環境探測的關鍵載荷，國外Cluster II, Compass II, Demeter等多顆衛星上都配置了星載電場探測儀。歐空局的Cluster II衛星上同時配置了雙探針式和電子漂移式兩種電場探測儀[3]，其中雙探針式電場探測儀的工作頻段為0～32 kHz，電子漂移式電場探測儀的工作頻段低于10 Hz。俄羅斯Compass II衛星上配置的是天線式電場探測儀[4]，工作頻段是 100～15 MHz。法國于2004年發射的Demeter低軌三軸穩定衛星上配置的是雙探針式電場探測儀[5]，其工作頻段為 0～3.2 MHz。

本文介紹了中國科學院電子學研究所在國內首先研制的雙探針式星載電場探測儀，主要用于空間電磁環境監測，分別從檢測原理、系統構成、測試方法3個方面進行了詳細論述，最后給出了雙探針式星載電場探測儀的測試結果。

2 檢測原理

根據工作原理，星載電場探測儀主要分為雙探針式、天線式和電子漂移式三大類。其中，雙探針式電場探測儀的工作原理如圖1所示，通過測量電離層中兩點之間的電位差再除以兩點之間的距離得到所要探測的電場強度，在太空中布置多個連線兩兩正交的探頭即可實現對等離子體環境中3維電場信號的測量。天線式電場探測儀是應用天線原理來測量環境電場；電子漂移式電場探測儀是根據測量電子槍發射的電子在電場與磁場作用下的運動軌跡和時間等參數來間接測量電場強度[6]。

圖1 雙探針式電場探測儀工作原理

這幾類電場探測儀各有優缺點，具體的性能比較見表 1，電子漂移式電場探測儀的優點是受衛星本體電位的影響較小，但工作頻帶較窄，對環境磁場的大小有要求，結構復雜，成本高昂；雙探針式電場探測儀的優點在于工作頻段寬，對環境磁場無要求，對高能電子和磁場的變化不敏感，其缺點是易受衛星本體電位大小的影響。而天線式電場探測儀只能測量數十kHz以上的電場值，不能測量直流和低頻段的電場信號。

在這3類星載電場探測儀中，雙探針式電場探測儀具有工作頻段寬，直流可測，對環境磁場無要求等優點。雖然雙探針式電場探測儀易受衛星充電效應的影響，但是可以通過對衛星平臺的優化設計及其在衛星平臺上的合理安裝與布局來克服，所以最終采用了雙探針式電場測量方案。

3 系統構成

3.1 敏感探頭

電離層環境電位通過等離子體阻抗耦合到探測儀的球形探頭上。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，在700 km高的電離層中，該耦合電阻的大小約為1 MΩ左右。當衛星位于地球南北兩極的上空時，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境的變化引起該耦合電阻的變化，從而造成對等離子體電位測量的誤差，要求探頭前置放大器的輸入電阻盡量高，在這里選擇了JFET輸入級的運放，其輸入電阻在1011Ω以上。在普通軌道耦合電阻對測量結果的影響幾乎可以忽略不計，但在一些等離子體的耗盡區域(比如極區)，等離子體濃度較小，此時的耦合電阻較大，通過對探頭偏置電壓大小和方向的調節，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，保證探頭內部前置放大器的測量精度。圖2為星外敏感探頭的工作原理圖。其中敏感探頭內的檢測電路主要完成如下3個功能：等離子體環境電位信號的檢測，偏置電流調節，探頭內的溫度測量。圖3為探頭實物照片。

3.2 探頭布局與頻段劃分

為實現對等離子體環境電場的正交三分量探測，在衛星平臺周圍配置不共面的4個星外敏感探頭以獲取電離層的3維電場信息。已有研究[7-10]表明影響探頭測試精度的主要因素為衛星平臺的充放電效應以及探頭在衛星平臺上的安裝方式。安排探頭與衛星平臺的布局如圖4所示。

表1 不同工作原理電場探測儀的性能比較

圖2 敏感探頭工作原理

圖3 敏感探頭實物

E1,E2兩探頭通過伸桿與衛星平臺連接，向上伸展布置，避開衛星太陽能帆板；在與E1,E2連線垂直的方向上，將E3,E4兩個探頭朝下布置，兩個探頭的連線與衛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的影響。另外，4個探頭距離衛星平臺的距離需要大于3 m，以減小衛星平臺和太陽能帆板帶電對電場測量精度的影響；同時要保證探頭遠離衛星運動產生的尾跡區域。

圖4 探頭在衛星上的布局示意圖

測量的電場是在電場坐標系下的數據，需要轉換到衛星坐標下分析使用。針對圖4的布局方式計算得到電離層中正交的三分量電場信號為

其中l為探頭間距，x,y,z為探頭坐標。衛星在軌運行時電場探測儀坐標系下的三分量電場由3組差分信號組成，分別為：E12=E1-E2,E34=E3-E4和E13=E1-E3。若E1和E3中任何一個不能正常工作，都會影響到兩個分量的電場矢量，因此在設計時可以通過對電路施加遙控指令來選擇E2或E4代替其中失效的探頭，以確保E1和E3其中一個探頭失效時，還能得到兩個方向的電場矢量信號。

根據需要的信號測量和處理精度，將電場信號劃分為如下3個頻段共8個通道：

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

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

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

3.3 采集和處理單元

模擬單元對輸入的4組探頭模擬信號依次進行低噪聲放大和差分組合放大處理，經開關切換選擇后形成8個通道，每個通道分別進行低通或帶通濾波形成不同頻段，再經過阻抗匹配放大后送到數字單元進行模擬數字轉換。其基本原理框圖如圖5所示。

圖6是實際電路的頻率響應曲線。由測試曲線可以看出，3個頻段區分明顯，電路很好地實現了頻段劃分功能，四階濾波也很好地保證了截止頻率特性。

電場探測儀的信號處理與控制系統為數字電路組成，其原理框圖如圖7所示。主要實現的功能有多通道模擬信號的數字化轉換，數據的預處理和打包傳輸，解譯遙控遙測指令，各單元控制信號生成，分析計算載荷工作參數，監視、控制與切換載荷的工作狀態。

圖5 模擬信號處理單元框圖

圖6 頻率響應曲線

衛星運行過程中，探頭相對于衛星平臺對稱放置，伸桿切割磁力線，從而在伸桿上會產生電位方向相反，大小近似相等的感生電動勢，使得探頭電流收集特性變化，導致電壓測量誤差。與法國Demeter衛星等電場探測儀不同的是，在探頭偏置電壓控制單元的基礎上，增加了伸桿偏置電壓主動控制單元。采用計算機模擬的方法對伸桿主動電位控制的作用進行了仿真，分別設置伸桿相對于探頭電壓為+4 V,+2 V, 0 V,-2 V,-4 V，仿真結果如圖8所示。由圖可知，當伸桿相對于探頭為正電壓時，會引起探頭的電流收集特性發生較大的改變，從而影響探頭上的測量電壓，增加額外的電場測量誤差；當對伸桿施加負的主動電壓控制時，探頭電流收集特性較為一致，對探頭測量電壓的影響非常小。因此，對伸桿主動施加負的偏置電壓控制，可以大為降低伸桿上感生電動勢對星載電場探測儀電場測量精度的影響。

圖8 伸桿主動電位控制的計算機仿真結果

4 測試

由于在地面上難以產生內部有標準均勻電場的等離子體環境，所以對電場探測儀的地面測試標定和法國Demeter以及歐空局Cluster II衛星一樣，根據其探測原理采用間接標定方式。即使用并聯的等效電阻、電容來模擬電場探測儀在太空實際探測過程中星外敏感探頭與等離子體環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標定箱中，通過標準信號產生單元產生不同頻率的正弦信號通過模擬耦合電阻和電容加載至敏感探頭，以此實現整個電場探測儀的測試和標定工作。

圖9 噪聲幅度譜

在應用中最關鍵的指標為整個系統的噪聲本底狀況，圖9所示為3個頻段的噪聲幅度譜測試結果。結果顯示：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 Demeter衛星電場探測儀的性能指標為：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。兩相對比，本文研制的雙探針式星載電場探測儀的 SLF頻段噪聲本底優于法國Demeter衛星的電場探測儀，VLF頻段的噪聲本底與法國Demeter衛星的電場探測儀相當，HF頻段的噪聲本底略大于Demeter衛星的電場探測儀。

5 結束語

空間對地觀測比較于地面觀測具有觀測范圍廣,不受地面自然條件限制的優勢。采用星載電場探測儀對電離層和磁層電場進行探測，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探測儀的工作原理，從探頭設計、星上布局、系統頻段劃分、采集處理單元和測試標定方法等多個方面對星載電場探測儀的研制進行了詳述，通過對伸桿實施主動電位控制，減少了伸桿切割磁力線帶電對電場測量精度的影響。研制出的星載電場探測儀的原理樣機，將工作頻率上限提高到10 MHz，測試結果表明雙探針式電場探測技術方案可行，性能指標與國外同類儀器相當。

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