一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪及探测方法

本发明属于空间等离子体研究和空间物理科学领域，尤其涉及一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪及探测方法。

背景技术：

1、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。

2、阻滞势电位分析仪是电离层等离子体原位探测工程中重要的传感器之一，用于探测离子密度和离子温度、离子成份和传感器法向的离子漂移速度。当前阻滞势电位分析仪原理结构基于法拉第笼，其传感器为圆筒形，内部是多层栅网结构。通过对各层栅网施加电位，可以对等离子体中不同能级的离子进行筛选。利用阻滞层栅网的电压控制，并收集记录不同阻滞电压下对应的收集层离子电流电信号的数值，由此绘制阻滞势电位分析仪的伏安特性曲线。通过对其伏安特性曲线的分析，可以计算获得科研人员想获得的电离层离子参数科学数据。

3、早期传统阻滞势分析仪各层栅网配置具体实现原理是：第一层和第二层为地层，电位处于地电位，与卫星的外壳和卫星电路的地电位直接相连，用于屏蔽传感器内部阻滞栅网扫描变化对传感器外部空间等离子体造成的扰动；第三层为阻滞层，用于加载扫描阻滞偏压，功能是对不同能级的离子进行筛选，若离子动能大于偏压电位所对应的电子伏特能量，那么该离子可以进入收集层被收集，反之则会被阻滞层抵挡而无法被收集层收集；第四层为抑制层，用于抵挡和抑制等离子体中的电子不被收集极板收集，同时防止收集极上的二次电子和光电子逃出，从而保证收集层收集的电流信号均由离子所形成。这种简化的结构在离子探测和离子漂移速度探测上面存在着很大的缺陷，后经研究表明，造成这种简单传感器不能满足探测的原因，主要是由于栅网的电场畸变，为了得到最优的传感器模型，国内外利用仿真软件对栅网按照真实的尺寸建模并分别按照不同方式排列，利用蒙特卡落法统计每一种传感器模型对粒子影响的透过率的影响。

4、传统的阻滞势分析仪电离层精度低，动态范围小，体积大，尤其是空间分辨率低，通常为千米，难以探测小尺度不均匀体，主要受限于运算放大电路带宽、滤波器带宽，以及阻滞栅网层扫描电压的加载等因素的限制，如果近地轨道卫星速度为7600m/s，那么所对应的等离子参数的空间分辨率为每7600米获得一个等离子体参数点，从距离的角度来看，无法实现从空间位置对电离层的精细结构的刻画，尤其无法良好探测等离子体参数在小尺度不规则空间区域快速变化的科学数据，从而限制了科研人员的研究需求和研究精度。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪及探测方法，通过多个独立且相同的分支阻滞势分析仪的设计，实现整体阻滞势分析仪的分辨率灵活可调。

2、为实现上述目的，本发明的第一个方面提供一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，包括：机壳、设置在机壳内间隔排列的多个独立且相同的分支阻滞势分析仪；其中，每个分支阻滞势分析仪包括外壳、电路板和在设置在所述外壳内的多层栅网结构，所述电路板上设置有对所述分支阻滞势分析仪单独控制的控制模块。

3、本发明的第二个方面提供一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪的探测方法，包括：

4、对多个分支阻滞势分析仪采用不同模式的扫描电压；

5、采集多个分支阻滞势分析仪在对应扫描电压下的离子电流；

6、基于离子电流和对应的扫描电压得到阻滞势分析仪的伏安特性曲线；

7、基于所得到的伏安特性曲线，分析得到探测结果。

8、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

9、在本发明中，紧凑型阻滞势分析仪包括机壳，设置在机壳内间隔排列的多个独立且相同的分支阻滞势分析仪，对分支阻滞势分析仪进行独立控制，实现对多个分支阻滞势分析仪的多个空间分辨率可调模式，不同模式下空间分辨率相较于传统阻滞势分析仪提高了4至50倍，在刻画精准的伏安特性曲线的基本前提下，实现对电离层精细结构的灵活探测，缩短探测时间。

10、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，机壳、设置在机壳内间隔排列的多个独立且相同的分支阻滞势分析仪；其中，每个分支阻滞势分析仪包括外壳、电路板和在设置在所述外壳内的多层栅网结构，所述电路板上设置实现对所述分支阻滞势分析仪多个空间分辨率可调模式的控制模块。

2.如权利要求1所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，所述多层栅网结构包括依次设置的第一地电位栅网、金属支撑板、第二地电位栅网、阻滞栅网、抑制栅网、第三地电位栅网和收集层。

3.如权利要求2所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，所述地电位栅网、地电位栅网、阻滞栅网、抑制栅网、地电位栅网的上下两侧设置有绝缘垫片。

4.如权利要求2所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，所述第一地电位栅网、第二地电位栅网与传感器外壳连接，所述阻滞栅网与模数转换电路连接。

5.如权利要求4所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，所模数转换电路采用多通道电压输出的模数转换器，所述多通道电压输出的模数转换器对多个独立且相同的传感器内的阻滞栅网的扫描电压进行并行控制。

6.如权利要求4所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，所述控制模块还包括跨阻放大电路，所述跨阻放大电路用于将探测的电流信号转换成电压输出信号，跨阻放大电路包括连接在放大器输入端子与输出端子之间的反馈电阻。

7.如权利要求1所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪，其特征在于，对多个独立的分支阻滞势分析仪分别采用不同电压扫描模式进行并行控制。

8.一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪的探测方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪的探测方法，其特征在于，在不同扫描电压模式下，对采集的离子电流及对应的扫描电压采用不同的数据处理方法，所述数据处理方法包括最小二乘法、插值法。

10.如权利要求8所述的一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪的探测方法，其特征在于，对多个分支阻滞势分析仪的阻滞栅网的扫描电压并行控制扫描。

技术总结
本发明提出了一种多分辨率网格紧凑型阻滞势分析仪及探测方法，包括：机壳、设置在机壳内间隔排列的多个独立且相同的分支阻滞势分析仪；其中，每个分支阻滞势分析仪包括外壳、电路板和在所述外壳内多层栅网结构，所述电路板上设置有对所述分支阻滞势分析仪控制的控制模块。通过多个独立且相同的分支阻滞势分析仪的设计，实现整体传感器的分辨率灵活可调。

技术研发人员：张清和,代路遥,刘佩杰,冷万昌,梁立凯,王艳玲
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14