[发明专利]一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法

说明书

本发明公开的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及方法，包括四根朗缪尔探针、模式切换系统、采集电路和数据采集及控制系统，能够切换单探针、双探针和三探针各自单独探测模式、单探针和三探针同时探测、单探针和单探针高时空分辨率模式同时探测模式中的一个模式，将单探针、双探针和三探针三种探测工具集成到同一探测载荷系统，在减轻卫星总体重量的同时，实现了对电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数的同时探测，并且极大提升了采样率和空间分辨率，满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求，同时在理论计算公式的选择上做了改善，使探测数据的反演参数更加可信。

技术领域

本发明涉及等离子体探测技术领域，尤其涉及一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电离层是地球上空60到1000公里的区域，是地球大气被太阳辐射部分电离的区域，是日地能量传输链中的重要一环，是空间天气的重要组成部分，也是最为贴近空间物理应用层面的地球空间区域。作为人类无线电波传播的主要媒介和航天活动的重要场所，电离层的状态变化能直接影响人类的通讯、导航、遥感定位和航空航天活动等。

电离层的状态变化主要体现在其等离子体密度、温度等的变化上。因此，电离层等离子体密度和温度探测十分重要。

目前用于探测电离层电子密度和温度的星载设备主要是朗缪尔探针系统，它几乎是所有卫星空间环境探测包的必备载荷之一。朗缪尔单探针技术是最常用的电离层等离子体诊断手段之一，通过分析单探针的I-V特性曲线，我们可以得到等离子体电子密度、电子温度、离子密度、空间电位以及电子能量分布函数等众多等离子体参数。这种方法得到的等离子体参数可信度较高，但是，获取一条完整的单探针I-V特性曲线需要测量成百上千个电流电压数据，在短时间内无法完成测量，尤其是在电离层中，卫星飞行速度约为7.5km/s，导致朗缪尔探针探测精度、采样率都难以满足卫星的载荷需求。例如我国张衡一号等离子体探测载荷(朗缪尔探针)的有效数据分辨率为1-2秒中，即探测一条曲线需要1-2秒钟，此时卫星已飞出7.5km，已非严格意义上原位测量而是7.5km的平均效果，在探测一些等离子体不均匀体的结构时，空间分辨率明显不足。

为解决数据分辨率低的问题，挪威的奥斯陆大学研制的针型朗缪尔探针系统采用基于OML(轨道运动限制)理论在电子饱和区取两点拟合直线近似求解电子密度的方法，成功把数据时间分辨率1-2秒提升到1毫秒(1-2Hz提升到1KHz)，即将探测的空间分辨率提升至7.5米。但是这种方案仍具有局限性，首先，其无法获取电离层中的电子温度这一极其重要的参数；其次，其无法获取电离层中等离子体空间电位，进而无法确定电子饱和区，从而无法确定所选取的两个固定偏压值，进而影响电子密度计算的准确性；最后，这种求解电子密度的方法是在满足OML理论条件下进行计算，然而OML理论计算电子密度较拐点法有着较为严苛的适用条件，例如探针半径r_p和德拜长度λ_D需要在特定的范围内，拟合区间需要尽可能的接近拐点电位，探针上的固定偏压过大会使探针上收集的饱和电子电流偏离OML理论计算公式等，用这种理想化的模型计算出的电离层中的电子密度有着较大的误差与不可信度，现已通过地面电离层等离子体模拟实验室证实，这种方法与经典的朗缪尔探针利用过渡区和拐点电位求解电子密度的方法有着较大的误差。综上，如何合理有效的提高卫星载荷朗缪尔探针的采样率与计算结果的可信度，仍是亟待解决的问题。

此外，地面实验室等离子体诊断研究也对社会发展有着极为重要意义，不管是在工业、农业、国防、医疗等方面，还是在新型材料制备过程中，等离子体物理都得到了广泛的应用。特别是对于薄膜的制备过程中，物理气相沉积，化学气相沉积，刻蚀等方面均需要对等离子体进行研究。在研究等离子体性能和特点的物理进程中，利用朗缪尔探针诊断技术获取不同等离子体的特性参数具有关键性意义。