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188图库论坛团队高速极光成像仪研制取得新进展
2024-06-06     (点击: )

2024年5月16日,由空间科学攀登团队、前沿交叉科学青岛研究院承担的国家重点研发计划课题—低功耗高速极光成像仪,通过了项目研制进度的考核,课题来自于由中国极地研究中心牵头负责的“深海与极地”专项项目。

图1 新疆、黑龙江地区的极光活动

《山海经-海外北经》记载了一种名曰“烛阴”的神兽,称其“身长千里……人面,蛇身,赤色,居锺山下”,如今这被证实是古人对极光的描写。

近年来,在地球磁场和大气共同作用下,绚丽的极光盛宴在我国多地出现。2023年12月1日晚,黑龙江漠河北极村出现红绿极光。2023年4月24日(2时-8时)一场特大地磁暴在新疆克拉玛依引发了绚丽的极光。2024年5月11日夜间至12日凌晨,我国北京怀柔慕田峪、白河湾、喇叭沟门,黑龙江、新疆等地出现了明显的极光景象……

极光是一种绚丽多彩的空间等离子体物理现象,主要发生在具全球磁场行星上的高纬度区域,是由来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流(太阳风)与地球南北两极附近高空大气分子或原子激发(或电离)所致。极光不只是瑰丽奇景,还蕴含着大量物理信息,是极区高空大气物理学的重要研究对象。例如,基于极光观测可研究日地关系,探索太阳活动和磁暴等地球空间能量释放过程。

美国、挪威、日本、加拿大等许多国家的科研团队已部署有大量极光观测设备,获得了大量科学数据。国内科研单位现役的地基极光观测设备主要是中国极地中心部署在南极泰山站的Sentry3极光成像仪,该成像仪主要观测427.8、557.7、630nm的极光波段。

为了进一步提高自主仪器设备研制水平和科学数据质量,我院空间天文物理融合研究中心与中国极地中心等单位联合了“深海与极地”专项项目--国家重点研发计划。根据任务分工,由我单位承担该项目“低功耗高速极光成像仪”课题,负责研制相应极光观测设备。该设备由我中心自主研制,具有高灵敏度、高帧率、低功耗等特点。研制完成后,将在南极严苛环境下对极光进行无人值守观测。截至目前,本课题的设计与加工阶段工作已全部完成,正在进行镜头的装调,并筹备后续极光成像仪的辐射定标和几何定标。

图2 高速极光成像仪三维模型图

在设计阶段,课题组采用国产CMOS芯片研制相机。相较于进口的EMCCD,国产的CMOS芯片在量子效率和成像帧频上存在一定不足,但是我研制团队通过片上集成和数字域合并的处理方法,实现最高支持100Hz的高速成像,数据率高达2Gbps;同时针对100度大视场角成像需求,设计了长焦距大口径广角镜头,使成像完全覆盖大面阵CMOS芯片,保证成像的高灵敏度。

高速极光成像仪镜头的长焦距和大口径导致滤光片尺寸达到了Φ104mm,给滤光片研制带来了挑战。为此,团队根据系统光锥角对滤光片进行了优化设计,并采用磁控溅射镀膜技术保证大面积镀膜均匀。

针对南极的极端工作环境,通过材料匹配、热仿真分析对镜头结构进行了优化设计。仿真结果表明镜头在-80℃环境下无结构性应力破坏,在-20℃~+20℃环境下光学系统MTF>0.6,成像质量良好。

图3 极光成像仪系统组成

目前极光成像仪的所有光学透镜和机械件已全部加工完成,所有部组件误差均在控制范围内,关键器件如超窄带滤光片、光电焦面组件等均已调试完成,计划在6月中旬完成整机的装配和调试。

图4 极光成像仪结构件

图5 大面阵CMOS光电成像组件

图6 薄膜型557.7nm窄带滤光片(104mm口径)

图7 光学透镜组实物

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