基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法与流程

技术特征：

1.一种基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，包括：

通过X射线同时测量未经衰减的太阳X射线强度和掩日路径上衰减之后的X射线强度，进而拟合50-200km公里高度范围内的大气密度。

2.根据权利要求1所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，该方法具体包括：

步骤1)、利用星载X射线能谱仪采集一系列掩日路径上经过大气衰减的X射线谱线强度数据、未经过大气衰减的X射线谱线强度数据以及本底数据；

步骤2)、对步骤1)获得的X射线谱线强度数据进行预处理，所述预处理包括本底改正、去除异常数据点，获得预处理之后的X射线谱线强度数据；

步骤3)、利用大气模型计算卫星观测时刻与切点高度对应的大气密度；

步骤4)、利用步骤3)获得的大气密度作为初值，利用比尔定律对步骤2)获得的预处理之后的未衰减的X射线强度数据进行数值衰减，即得到拟合模型；

步骤5)、将步骤4)得到的拟合模型和步骤2)得到的预处理之后的已衰减X射线谱线强度数据进行非线性最小二乘拟合，得到拟合的大气密度参数；

步骤6)、利用步骤5)得到的大气密度参数重复步骤4)，进而再重复步骤5)，经过反复迭代，直至达到迭代终止条件，从而获得50-200km公里高度范围内的最优拟合的大气密度。

3.根据权利要求2所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，其特征在于，在步骤1)中，X射线能谱仪测量的能量范围是0.1-100keV或者该范围内的某一能量区间。

4.根据权利要求2所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，其特征在于，所述步骤3)包括：利用大气模型计算卫星观测时刻的大气密度，将计算得到的大气密度值插值到与切点高度对应的大气密度；其中，切点高度是指过地心与视线垂直的直线与视线的一系列交点的海拔高度，这些海拔高度值对应采样点数。

5.根据权利要求2所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

星载X射线探测器接收到的X射线辐射强度S_m由比尔定律描述，得到如下拟合模型：

$S_m\≡\mathrm{\α}R{\stackrel{\→}{I}}_0{e}^{-\mathrm{\τ}}+\stackrel{\→}{B}---\left(1\right)$

且

$\mathrm{\τ}=\mathrm{\τ}(E_l,Z_k)={\mathrm{\Σ}}_g{\mathrm{\β}}_g{\∫}_{S_0}^{S_{\mathrm{\∞}}}{\mathrm{\σ}}_g\left(E_l\right)n_g\left(Z\right(s\left)\right)ds---\left(2\right)$

其中，R＝R_jl为探测器响应矩阵，下角标l代表高分辨能量格点数；为星载X射线能谱仪采集到的未经过大气衰减的谱线强度，为背景噪声；光学厚度τ定义为二维矩阵τ(E_l,Z_k)，其中，E_l表示高分辨能量谱段格点，和Z_k表示切点高度；S_∞表示太阳的位置坐标；S₀代表卫星的位置坐标；n_g(Z(s))为视线方向某一高度组分气体g的数密度，该数密度通过大气模型计算得到；σ_g为组分气体的吸收截面；归一化因子α和复合标量因子β_g为模型中的自由参数；

切向数密度n_g(Z(s))和径向数密度n₀(Z)的关系由下式积分给出：

$n_g\left(Z\right(s\left)\right)=2{\∫}_{Z\left(s\right)}^{\mathrm{\∞}}\frac{n_0\left(Z\right)ZdZ}{\sqrt{Z^2-Z{\left(s\right)}^2}}.---\left(3\right)$

其中，n₀(Z)即通过大气模式得到的切点高度大气密度，即径向数密度；Z代表切点高度的一系列取值；Z(s)代表观测时刻视线方向的切点高度。

6.根据权利要求5所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，其特征在于，在所述步骤5)中，采用C统计作为最大似然估计量：

$C=-2{\mathrm{\Σ}}_i\[d_{i}ln\frac{d_i}{m_i}+m_i-d_i\]---\left(6\right)$

其中，d_i为经过大气衰减的X射线谱线强度数据点，m_i为第i个点的模型理论值，即：

m_i＝S_m(E_j,Z_k) (4)

S_m是能量E_j和切点高度Z_k的函数，下标j、k分别对应探测通道和切点高度，由掩日视线决定；下标i定义为：

i≡j+Nk (5)

其中，N为X射线能谱仪能量测量道数；

然后利用Levenberg-Marquardt算法作为非线性最小二乘拟合的求解器，通过使C统计最小来实现切点高度大气密度的反演求解；求解过程中同时对所有能量通道和切点高度的掩日观测数据点进行拟合，一次性得到所有能量通道和切点高度的大气密度值。

7.根据权利要求2所述的基于X射线掩日观测反演临近空间大气密度的方法，其特征在于，在步骤6)中，所述迭代终止的条件为前一步计算的大气密度值和后一步计算的大气密度值残差小于某一阈值；这一阈值的设定取决于具体的观测任务需求。