月基地球等离子体层极紫外成像仪的光学设计

　　1　引　言

　　地球等离子体层作为近地空间的重要组成部分，存在于2.0～8.0RE(RE=6378km，代表地球半径)的空间范围内，其分布和变化对内部的电离层以及大气层有很大的影响，而其结构形式、辐射特性以及分布的变化对近地空间环境亦有重的影响。地球等离子体层的主要成份是由地球磁场捕获的电子和H+，He+，O+等离子，其中H+约占总离子含量70%，He+约占20%，O+约占10%[1-2]。He+可以共振散射太阳辐射出的He　II30.4nm谱线，构成地球等离子体层极紫外辐射的主要部分，辐射强度在0.1～11.4Rayleigh之间[3-5]。等离子体层外部是地球磁层，其对30.4nm辐射是光学薄的，因此，可以在地球等离子体层外部对地球等离子体层辐射出的30.4nm辐射进行成像观测。月球是距离地球最近的天体，它有一侧始终面向地球，月球表面无大气，磁场和月震极其微弱，表面安静，是非常好的天然观测平台，适合进行长期、高质量成像观测。利用月球平台，在月球围绕地球运行过程中，以不同的角度对地球等离子体层进行成像，对获得的极紫外图像反演得到地球等离子体层的体分布，进而进行科学研究和空间天气预报是一项很有意义的工作。

　　鉴于地球等离子体层对地球近地空间环境的重要影响，美国和日本自上个世纪70年代开始对地球等离子体层进行了大量的观测和研究。典型的观测方法为局地观测、扫描成像观测和成像观测。如美国1972年发射的STP-2卫星上载有极紫外波段光度计[6]，首次观测到地球等离子体层的30.4nm辐射，获得地球等离子体层极紫外辐射的强度分布。日本1998年发射的Planet-B卫星上搭载有一台极紫外波段光度计[7]，其视场角为5.6°，工作波段为30.4nm和84.3nm，在Planet-B飞往火星的途中，对地球等离子体层进行观测，将每一个小视场的图像拼接构成地球离子体层图像，首次从地球等离子体层外部获得了地球等离子体层图像[3]。

　　2008年日本发射的月亮女神号(SELENE)上载有一台极紫外成像仪TEX[8]，SELENE围绕月球运行，实现了对地球等离子体层的成像观测，TEX工作波段为30.4nm和83.4nm，视场角为10.9°×10.9°，设计角分辨率为0.1°。但是，实际获得图像分辨率远远低于成像仪的设计指标，图像信噪比也较低[9]，SELENE已经于2009年停止工作。

　　美国于2000年发射了在大椭圆轨道上运行的IMAGE卫星[10]，其远地点约为42　000km，近地点约为1000km，在远地点附近对地球等离子体层的全貌进行观测，工作波段为30.4nm，图像分辨率为0.6°，获得了很好的地球等离子体层极紫外辐射图像，这些图像是目前获得的分辨率最高的地球等离子体层极紫外辐射图像，利用IM-AGE观测数据已经取得了大量研究成果[4]。但是，这台卫星也于2005年12月停止工作，目前世界上没有在轨工作的地球等离子体层极紫外辐射成像观测仪器。