國(guó)產(chǎn)十余萬(wàn)譜段超光譜探測(cè)儀研制成功

范東棟（航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

星載超光譜大氣成分探測(cè)儀

□□隨著全球人口增加，全球生態(tài)環(huán)境日益脆弱，全球氣候正在經(jīng)歷明顯的變化過(guò)程。氣候變化已不僅僅是一個(gè)自然科學(xué)的前沿問(wèn)題，還成為關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、軍事與國(guó)家安全、環(huán)境外交等的政治問(wèn)題。在美國(guó)五角大樓所作的《氣候突變的情景及其對(duì)美國(guó)國(guó)家安全的意義》這一報(bào)告中指出：“未來(lái)20年全球氣候變化對(duì)人類(lèi)構(gòu)成的威脅要?jiǎng)龠^(guò)恐怖主義，人類(lèi)的頭號(hào)威脅即為氣候問(wèn)題?！睔夂騿?wèn)題的研究已成為各國(guó)政府和科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)，也是我國(guó)政府和科技界關(guān)注的熱點(diǎn)。

航天東方紅衛(wèi)星有限公司成立于2001年5月，已成功研制并發(fā)射了10余顆應(yīng)用于不同領(lǐng)域的小衛(wèi)星。面對(duì)當(dāng)前全球氣候環(huán)境問(wèn)題，考慮到傅立葉變換光譜（FTS）技術(shù)的高通量、多通道、高光譜分辨率和寬光譜范圍等優(yōu)勢(shì)，公司借助政府對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的大力支持，通過(guò)建立共贏的全球戰(zhàn)略合作團(tuán)隊(duì)，共同推動(dòng)FTS技術(shù)在中國(guó)航天遙感領(lǐng)域的應(yīng)用。目前成功研制的星載超光譜大氣成分探測(cè)儀將作為中國(guó)全球氣候變化探測(cè)和溫室氣體探測(cè)應(yīng)用中最重要的載荷之一，預(yù)計(jì)在2014年左右搭載發(fā)射。

1 儀器組成與基本原理

星載超光譜大氣成分探測(cè)儀選用了與加拿大科學(xué)衛(wèi)星－1（SCISAT－1）上的大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)（ACE）儀器及地面樣機(jī)儀器PARIS類(lèi)似的FTS方案，采用太陽(yáng)掩星探測(cè)模式，測(cè)量大氣吸收光譜，充分利用太陽(yáng)這一穩(wěn)定強(qiáng)輻射光源，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的小型化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定有效性。根據(jù)應(yīng)用需求，探測(cè)儀在2.4～13.3μm光譜覆蓋范圍內(nèi)達(dá)到0.028cm-1極限光譜分辨率（包含約16.5萬(wàn)個(gè)譜段），實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣對(duì)流層、平流層及中間層的微量、痕量氣體的定量探測(cè)。該儀器由光機(jī)子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)構(gòu)成。其系統(tǒng)原理為：太陽(yáng)光束被指向鏡捕獲后經(jīng)由分色器分為可見(jiàn)和紅外兩部分，視場(chǎng)監(jiān)測(cè)相機(jī)探測(cè)可見(jiàn)光束，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整指向鏡角度以跟蹤太陽(yáng)；紅外信號(hào)光依次經(jīng)過(guò)主鏡和次鏡后，被分束器分成透射光和反射光，分別進(jìn)入干涉儀的兩臂，經(jīng)過(guò)角鏡和端鏡反射后又分別回到分束器，形成干涉信號(hào)，干涉調(diào)制后的信號(hào)透過(guò)端鏡中心的開(kāi)孔由輸出鏡傳遞給探測(cè)器。

測(cè)量到的干涉信號(hào)經(jīng)傅立葉變換、光譜和輻射定標(biāo)后得到探測(cè)對(duì)象的光譜信息，然后通過(guò)進(jìn)一步的反演算法可獲得大氣廓線分布數(shù)據(jù)。依據(jù)用戶(hù)的不同應(yīng)用需求，可以進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘。由于采用雙角鏡與端鏡的組合設(shè)計(jì)，獲得了光程差相對(duì)機(jī)械行程差的8倍放大，并使系統(tǒng)對(duì)光路元件的傾斜和剪切變形不敏感，保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性和性能的穩(wěn)定性。另外，還配套開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理與分析軟件，具有快速成像光譜計(jì)算、相位校正、光譜定標(biāo)、信噪比評(píng)估、微窗口數(shù)據(jù)生成等功能。

儀器的核心干涉組件

星載超光譜大氣成分探測(cè)儀數(shù)據(jù)處理與分析軟件界面

儀器ILS曲線

2 儀器性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

星載超光譜大氣成分探測(cè)儀于2008年1月研制完成，已對(duì)其各方面性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試與評(píng)價(jià)，其中信噪比和光譜分辨率是兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)。

為了評(píng)價(jià)信噪比指標(biāo)，技術(shù)人員將儀器放在室外對(duì)太陽(yáng)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，采集10組連續(xù)觀測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將系統(tǒng)信噪比指標(biāo)定義為光譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與光譜數(shù)據(jù)平均值之商。通過(guò)測(cè)試分析顯示，在大氣窗口范圍內(nèi)，系統(tǒng)信噪比最高達(dá)到1000∶1，普遍優(yōu)于100∶1。

星載超光譜大氣成分探測(cè)儀測(cè)量獲得的光譜等于理論光譜與儀器線型函數(shù)（ILS）的卷積。ILS是當(dāng)一個(gè)單色光源均一地覆蓋系統(tǒng)的視場(chǎng)時(shí)儀器的光譜測(cè)量結(jié)果。其半高寬即為儀器的光譜分辨率。在儀器的ILS測(cè)試中采用了1000K黑體輻射源，試驗(yàn)氣體選用CO，其氣壓為66.6612Pa，溫度為22.85℃，儀器的視場(chǎng)角設(shè)定為7.4mrad。儀器ILS曲線圖中顯示了ILS在770cm-1、2190cm-1和4100cm-1的半高寬。測(cè)試結(jié)果表明：星載超光譜大氣成分探測(cè)儀滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，部分指標(biāo)優(yōu)于需求值，如光譜分辨率在全譜段均優(yōu)于0.028cm-1。光譜分辨率隨波數(shù)發(fā)生變化，長(zhǎng)波譜段的光譜分辨率比短波譜段的高。

自2008年7月開(kāi)始，星載超光譜大氣成分探測(cè)儀地基配置型在北京奧運(yùn)大氣觀測(cè)超級(jí)站開(kāi)展了遙感觀測(cè)，并加入了北京環(huán)保部門(mén)和中國(guó)科學(xué)院組織的大氣觀測(cè)計(jì)劃，獲取了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)N2O、CO2、O3、CH4、CO、CFC－12等近10種氣體成分的反演，相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)目前正在深入開(kāi)展數(shù)據(jù)產(chǎn)品的后續(xù)分析應(yīng)用研究。

儀器安裝地點(diǎn)示意圖

儀器主要技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中國(guó)全球氣候變化探測(cè)和溫室氣體探測(cè)應(yīng)用，航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制了一種基于FTS的星載超光譜大氣成分探測(cè)儀。該儀器通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)光吸收光譜實(shí)現(xiàn)大氣成分的探測(cè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、信噪比高和光譜分辨率高等特點(diǎn)，最終研發(fā)完成的儀器設(shè)備及相關(guān)數(shù)據(jù)處理與分析軟件經(jīng)過(guò)測(cè)試滿(mǎn)足應(yīng)用的指標(biāo)需求。地基配置型儀器的戶(hù)外試驗(yàn)驗(yàn)證了儀器完成大氣成分探測(cè)的有效性和可靠性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其測(cè)量和反演結(jié)果與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)精確吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器具有廣泛應(yīng)用于星載平臺(tái)的潛力。