空间电磁环境是重要的空间环境背景参量,同时电磁场的扰动也与各种空间天气事件紧密联系。发展空间电场探测手段,探测空间电场及电磁波的变化特征,准确测量空间电场,是等离子体动力学研究、气象研究以及地震预报的迫切需要。本研究的主要目的就是要研究磁层三维电场仪的核心技术,为我国今后卫星星载电场仪的研制提供坚实的基础,并在此基础上提出超低频波粒相互作用分析器的设计。本文主要工作有:1、针对具体的合声波、EMIC波、ULF波和更低频率波的交流电场以及DC电场的测量需求,设计并制作了了电场仪信号处理系统,包括前置放大电路,信号滤波电路,电场信号差分电路,对每一部分电路设计做了模拟仿真,制作了相应的电路板,进行了电路板调试,给出了具体的测试结果。2、制作了电场仪伸杆电子系统,包括为了减小耦合电阻而给探头施加偏置电流(BIAS)的电路,以及为了减小光电流干扰的Usher和Guard电压偏置电路,并结合FPGA的控制,进行了传感器测试诊断(Sensor Diagnostic Test,SDT)功能的演示,确定电场仪探头最佳工作点。3、制作了电场仪的电源系统,包括数字电源、模拟电源的设计和工程实现,做了仿真测试和PCB板上调试,测量了各个电源的纹波,结果显示各电源能够满足设计需求,当然,要获得更加稳定的电源还需要进一步的优化设计。4、定量计算了球形电场仪探头分别在电离层、磁层两种等离子体环境中的耦合电压及耦合电阻大小;定量计算了给球形探头施加偏置电流在提高电场测量精度、减小测量误差方面的意义;定量计算了密度梯度和温度梯度对电场测量结果的影响;定量计算了运算放大器的输入阻抗以及电场仪探头与周围等离子体的耦合阻抗对测量结果的影响。计算结果表明,给球形电场仪探头施加一定的偏置电流,可以减小探头与等离子体之间的耦合电阻,减小由于密度梯度以及温度梯度等因素引起的测量误差,提高测量的准确性;选择输入阻抗较大的前置放大器,或者选择直径较大的探头,增加探头与等离子体之间的耦合电容,都能有效的提高电场测量精度;而通过增加探头伸杆的长度,可以减小由于等离子体德拜半径过大和尾迹效应引起的测量误差。5、设计了超低频波粒相互作用分析器原理模块,对仪器的每个功能模块进行了建模及测试,根据测试结果,进行了相关的误差分析。本文的创新点有:1、针对研究合声波、emic波、ulf波和更低频率波的交流电场以及dc电场与粒子相互作用过程的需求,设计了能准确测量三维电场超低频及准直流部分的双旋转平面电场测量方案,制作了相应的原理模块设计。该测量方案克服了目前空间电场仪无法准确测量超低频和准直流电场的缺点,能真正意义上实现对超低频和准直流三维电场的准确测量。2、在准确测量超低频和准直流三维电场的前提下,原创性地提出了超低频波粒相互作用分析器的设计,这种分析器能测量emic波、ulf波和更低频率波的交流电场以及dc电场与粒子的微观相互作用过程,能准确给出该过程中单位时间内的能量传输率。3、文中关于球形电场仪探头与等离子体之间耦合阻抗的大小以及偏置电流的施加在提高测量精度方面的定量分析方法和具体步骤,为今后的工程设计和数据标定分析奠定了理论基础。最后在总结和展望部分,指出本文中的设计在将来科学观测任务中的实际指导意义及应用方向,并且给出了后续的一些研究计划,包括进一步将整个系统工程化,以及对超低频波粒相互作用分析器的改进方向。