发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器，可开展全球热层中性气体粒子速度测量，测量周期长(数年)，时空分辨率高，可获得全球中性粒子速度的时空分布变化，用于研究全球热层大气变化。

所述用于原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器包括彼此连接的传感器和信号处理电路；

所述传感器，用于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，获取不同调制电压下所通过的离子数量；

所述信号处理电路，用于将当前调制电压下的离子信号进行电压放大，获得对应的多个电压信号，并基于得到的多个电压信号进行制图，得到当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度。

作为上述技术方案的改进之一，所述传感器包括：开源离子源、能量分析器和检测器；

所述开源离子源，用于采用垂直入射式电子轰击，对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，同时，通过对开源离子源设置电场，将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器；

所述能量分析器，用于根据测得的电离后离子的动能，施加对应能段的调制电压，将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器；

所述检测器，用于检测经能量分析器射出的离子，获得不同调制电压下所通过的离子数量。

作为上述技术方案的改进之一，所述信号处理电路包括：调制电压发生器、电极电压产生器、离子源控制电路、微弱信号放大器、图像处理器和电源电路；

所述调制电压发生器，用于分时产生不同能段的调制电压，并将不同能段的调制电压提供至能量分析器，对电离后的离子的动能进行调制；

所述微弱信号放大器，用于对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大，转换成对应的电压信号；

所述图像处理器，用于根据建立的离子动能与速度的函数关系，利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号，绘制当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度；

所述离子源控制电路，用于控制开源离子源，使其发射出恒定的垂直入射式电子；

所述电极电压产生器，用于产生传感器中的各部件正常工作所需的各路电压；

所述电源电路，用于将航天器的一次电源转换成二次电源，为探测器提供正常工作的电源。

作为上述技术方案的改进之一，所述图像处理器，用于根据建立的离子动能与调制能量的函数关系，利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号，绘制当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度；其具体实现过程如下：

建立离子动能与调制能量的函数关系：

其中，e为离子电荷量；U为调制电压发生器产生的电场电压；m为离子的质量；v为离子的速度；

根据上式，在能量分析器中，根据每个离子的速度，计算对应的动能，调制电压发生器根据每个离子的动能，分时产生不同能段的调制电压，通过逐步改变不同能段下的调制电压，根据每个能段下，高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能，绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像，作为当前调制电压下的离子的调制能量图；

根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类，反演出当前调制电压下的离子的速度；

基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。

本发明还提供了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法，该方法包括：

传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，获取不同调制电压下所通过的离子数量；

信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大，获得对应的多个电压信号，并基于得到的多个电压信号进行制图，得到当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度。

作为上述技术方案的改进之一，所述传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，获取不同调制电压下所通过的离子数量；其具体过程为：

开源离子源采用垂直入射式电子轰击，对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，同时，通过对开源离子源设置电场，将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器；

能量分析器根据测得的电离后离子的动能，施加对应能段的调制电压，将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器；

检测器检测经能量分析器射出的离子，获得不同调制电压下所通过的离子数量。

作为上述技术方案的改进之一，所述信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大，获得对应的多个电压信号，并基于得到的多个电压信号进行制图，得到当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度；其具体过程为：

调制电压发生器分时产生不同能段的调制电压，并将不同能段的调制电压提供至能量分析器，对电离后的离子的动能进行调制；

微弱信号放大器对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大，转换成对应的电压信号；

图像处理器根据建立的离子动能与速度的函数关系，利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号，绘制当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度。

作为上述技术方案的改进之一，所述图像处理器根据建立的离子动能与调制能量的函数关系，利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号，绘制当前调制电压下的离子的调制能量图，从而获得离子速度，进而得到轨道中性气体粒子速度；其具体实现过程如下：

所述图像处理器中，建立离子动能与调制能量的函数关系：

其中，e为离子电荷量；U为调制电压发生器产生的电场电压；m为离子的质量；v为离子的速度；

根据上式，在能量分析器中，根据每个离子的速度，计算对应的动能，调制电压发生器根据每个离子的动能，分时产生不同能段的调制电压，通过逐步改变不同能段下的调制电压，根据每个能段下，高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能，绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像，作为当前调制电压下的离子的调制能量图；

根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类，反演出当前调制电压下的离子的速度；

基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离，则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的探测器采用开源离子源，可实现中性气体粒子的无速度损失电离；采用扫描式能量分析器，实现宽广的离子速度的测量；所采用的传感器的体积小、功耗小，仅需集成三个模块，以及信号处理电路，即可实现中性气体粒子速度的原位探测；通过图像处理器，实施获取轨道中性气体粒子速度。