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火星大气甲烷特征辐射断层扫描立体成像探测器

赵华  王劲东  周斌  程炳君  冯永勇  陶然  
【摘要】:火星上确切无疑地发现冰水在南北两极以及中低纬区域次表层存在,而且水冰的含量巨大,完全改变人们对火星的认知。最近的高精度分析技术应用到火星陨石的分析上,再次确认ALH84001陨石中约有25%确实是由细菌形成的。火星大气中存在甲烷气体,1-35ppm的含量。甲烷是有机分子,非常有可能是火星早期生物降解而生成的。以我国自主火星探测计划为背景开展火星生命迹象及冰水环境特性探测研究。火星大气甲烷特征辐射探测器研制将是实现自主火星探测科学目标的重要载荷之一。具体的科学探测研究目标为:(1)利用甲烷特征辐射立体成像探测器,分析甲烷的成因探索火星生命迹象;(2)定位火星表面甲烷源区;(3)甲烷气体在火星大气的扩散过程;(4)甲烷在火星大气中的光化学动力学。探测器的主要探测原理为:甲烷分子有一些特征辐射,频率在红外光谱段(特征频率)。通过特定红外滤光片或光栅进行光谱选择(带宽),可以使甲烷分子的特定辐射谱线进入到红外单光子探测器阵列并进行计数。每一个单光子探测器探测到在传感器视线上的甲烷特征辐射总光强,在水平阵列上得到火星大气同一水平面各视线上的甲烷特征辐射总光强。在空间某一区域甲烷辐射元的特征辐射强度正比于甲烷气体分子的密度。如果假设在火星大气水平上甲烷气体密度分布有圆对称性,则利用阿贝尔变换可以获得在水平面的甲烷密度分布;利用垂直分布的单光子传感器阵列可以获得处于不同高度水平面甲烷气体密度分布;再经过数据处理形成火星某一区域甲烷气体在水平方向和垂直方向的立体分布;从而圈定甲烷气体的地面源区。单光子传感器可以对单光子敏感,即使火星大气一些区域的甲烷辐射非常微弱,也可以进行探测;在火星水平面假设甲烷密度分布呈圆形对称,即使有一定的非对称性会使反演精度降低。在接近甲烷散发源区,甲烷分子密度分布应该具有较好的对称性。立体成像探测器技术指标为:单光子成像传感器重量为2.5 kg+/-0.5kg;电子学处理单元重量3.5 kg+/-0.5kg;平均功耗:10W,水平空间分辨率5X5km,垂直高度分辨率20km;一次成像水平幅宽100X100 km,高度范围1—200km,成像时间:1s。

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