CO2高光譜遙感儀器的光譜參數(shù)和信噪比需求

王 倩楊忠東畢研盟*

1）（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）2）（國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081）

CO2高光譜遙感儀器的光譜參數(shù)和信噪比需求

王 倩1）2）楊忠東2）畢研盟2）*

1）（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）2）（國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081）

衛(wèi)星短波紅外CO2遙感獲得大氣低層CO2濃度信息，已成為目前國際熱點研究領(lǐng)域。結(jié)合氣候變化及碳源、匯觀測需求，利用高精度大氣輻射傳輸模式研究了高光譜分辨率、高精度CO2探測目標(biāo)的可實現(xiàn)性。針對高光譜CO2探測器光柵分光、陣列探測器特點，分析了光譜分辨率、光譜采樣率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對CO2探測的可能影響；基于輻射敏感度因子分析了不同探測精度要求下的信噪比需求。結(jié)果表明：高光譜CO2探測器首先應(yīng)具有足夠高的光譜分辨率，以便從太陽反射連續(xù)譜段中分辨出CO2吸收線；為保證CO2光譜的準(zhǔn)確性，光譜儀所用探測器面元應(yīng)該保證光譜采樣率大于2；盡管探測邊界層內(nèi)CO2濃度1%變化所要求的信噪比難以達(dá)到，但探測整層大氣CO2濃度1%的變化所需要的信噪比是可以實現(xiàn)的。

高光譜；CO2；遙感；碳衛(wèi)星

引 言

CO2是影響地球輻射平衡的最重要的溫室氣體［1］?；剂系娜紵腿祟惢顒用磕曛辽傧虼髿庵信欧?00億噸的CO2。全球地面監(jiān)測顯示：這些人為排放的CO2有近一半累積在大氣中，剩余的被海洋和陸地生物圈等CO2匯吸收［2-3］。目前地面CO2監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能對全球尺度的CO2提供準(zhǔn)確測量［4-6］，但它依然缺乏對區(qū)域尺度上CO2源、匯及離散點源的監(jiān)測能力。星載儀器探測大氣CO2濃度能改善地面監(jiān)測站點分布不均、觀測數(shù)據(jù)少等不足［］。

人類活動和自然過程會改變近地表CO2濃度，這種影響在邊界層最大，變化可以達(dá)8%（大于30×10－6），隨高度的升高快速減小，這種變化在區(qū)域到全球尺度上不超過2%（約8×10－6）。CO2濃度東西向變化通常不超過0.3%～0.5%。由于大氣CO2濃度變化主要發(fā)生在大氣邊界層內(nèi)，所以在測量精度能夠達(dá)到要求的條件下，對CO2柱濃度的測量能很好地代表與地表源、匯相關(guān)的CO2濃度變化，根據(jù)XCO2（CO2柱濃度與干空氣柱濃度之比）的時空梯度可以推斷出CO2的源、匯分布。模式研究顯示：如果在區(qū)域尺度上（大陸上小于100 km，海洋上小于1000 km的范圍），XCO2的月平均準(zhǔn)確度可達(dá)0.3%～0.5%（1×10－6～2×10－6），那么空基測量的XCO2能顯著減小CO2源、匯分布的不確定性，尤其在地面監(jiān)測站點稀少的海洋和熱帶草原區(qū)域［7］。因此，利用衛(wèi)星定量遙感大氣CO2濃度變化將在大氣成分研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

搭載于歐洲ENVISAT衛(wèi)星的SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography）探測器利用1.58μm的CO2弱吸收帶實現(xiàn)了對CO2的試驗性探測［8］，采用以經(jīng)典DOAS方法為基礎(chǔ)的改進(jìn)算法，證實從空間觀測大氣CO2梯度的可能性［9］。日本GOSAT衛(wèi)星搭載的TANSO-FTS探測器對CO2和CH4柱總量進(jìn)行探測，反演算法采用的是基于貝葉斯理論的最優(yōu)估計方法［10］。盡管搭載高光譜CO2探測器的美國OCO衛(wèi)星首次發(fā)射失敗，但美國JPL（Jet Propulsion Laboratory）隨后啟動OCO-2任務(wù)，并于2014年7月發(fā)射，用于探測全球CO2源、匯分布［11］。我國正在研制中的碳衛(wèi)星預(yù)計2015年發(fā)射，同樣搭載了短波紅外高光譜CO2探測器。

上述衛(wèi)星探測CO2皆在太陽短波紅外波段，除GOSAT衛(wèi)星采用傅里葉變換分光干涉技術(shù)外，SCIMACHY探測器、OCO衛(wèi)星以及我國的碳衛(wèi)星皆采用光柵分光技術(shù)，因此，針對光柵式高分辨率光譜儀特點，從探測大氣CO2柱含量需求出發(fā)，分析了儀器光譜參數(shù)（包括光譜分辨率、光譜采樣率）及信噪比等關(guān)鍵指標(biāo)的設(shè)計要求，這些因素可以直接影響探測數(shù)據(jù)本身的譜線形狀、噪音水平，從而最終影響CO2含量反演結(jié)果。

受研制水平限制，基于面陣探測的光柵光譜儀或多或少會受到光譜欠采樣問題的影響［12］，給CO2光譜的解譯造成困難，從而直接影響數(shù)據(jù)的反演分析。這一問題最早在GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）上發(fā)現(xiàn)，人們在擬合GOME觀測的O3光譜時發(fā)現(xiàn)，存在大的系統(tǒng)性擬合殘差和誤差，即使在輻射率和輻照度之間進(jìn)行多普勒頻移訂正后，上述殘差和誤差仍然存在。Chance等［12］針對GOME從反演的角度展開如何修正欠采樣光譜的問題。本文針對高光譜CO2探測器高光譜分辨率的特點，緊扣正在研制的CO2探測器，對欠采樣問題進(jìn)行分析，從儀器技術(shù)指標(biāo)分析角度討論如何避免欠采樣問題的出現(xiàn)，并嘗試尋找解決這一問題的方案。

1 模擬觀測系統(tǒng)

正演模式通過描述大氣中的輻射傳輸過程、地表反射過程以及儀器效應(yīng)對儀器接收輻射的影響這一完整的觀測物理過程，模擬儀器接收的反射太陽光譜。完整的正演模式系統(tǒng)由太陽模型、輻射傳輸模式、地表模型以及儀器模型4個部分組成。太陽模型提供所需的太陽光譜；正演輻射傳輸模式是整個模擬觀測系統(tǒng)的核心，用于模擬太陽輻射穿透大氣，被地表反射回空間這一全部物理過程；儀器模型將高分辨率的光譜與儀器線型函數(shù)卷積，修正儀器效應(yīng)，模擬儀器觀測光譜。

1.1 短波紅外CO2遙感的基本原理

短波紅外CO2遙感主要利用太陽輻射短波紅外部分穿過大氣時被CO2分子吸收，形成特有的CO2吸收譜線，吸收譜線的深度隨CO2含量的增加而加強，根據(jù)1.6μm譜段的光譜形態(tài)，通過高精度的輻射傳輸模擬計算進(jìn)行定量反演［13］。在平面平行大氣晴空條件下，觀測的輻射強度可表示為

其中，I（λ，θ，θ0，φ－φ0）是在波長λ處觀測的輻射強度。θ和φ是觀測天頂角和方位角，θ0和φ0是對應(yīng)的太陽天頂角和方位角。F0（λ）是大氣頂?shù)奶柾?，α（λ，θ，?，φ－φ0）是地表反射率，σm（λ，s）和Nm（s）分別表示光學(xué)路徑上氣體的吸收截面和數(shù)密度，積分路徑s表示入射太陽光從大氣頂進(jìn)入大氣層后，由地表反射到空中，最后到達(dá)儀器的路徑?！啊础怠北硎舅泄鈱W(xué)路徑的平均［14］。

輻射傳輸模式能在一定的觀測幾何和地表大氣狀態(tài)下得到高分辨率的模擬光譜，而儀器實際獲得的CO2吸收光譜分辨率由CO2探測器特征所決定［15］，模擬的光譜需要通過與儀器線型函數(shù)卷積對儀器效應(yīng)修正才能與觀測光譜比較。因此，儀器模型將模擬光譜和儀器線形函數(shù)（ILS）卷積，模擬CO2探測器的觀測光譜：

1.2 正演輻射傳輸模式

LBLRTM逐線積分輻射傳輸模式是在FASCODE模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效、準(zhǔn)確的逐線積分輻射傳輸模式，它以最精細(xì)的光譜分辨率精確計算孤立的、重疊的分子譜線，通過對每一層大氣分子的吸收和一些連續(xù)吸收的計算，得到高精度透過率、光學(xué)厚度等物理量［16］，LBLRTM模擬精度可以達(dá)到0.5%［17-18］。該模式的局限性在于不能計算云和氣溶膠的多次散射。

SCIATRAN大氣輻射傳輸模式是在GOMETRAN模式基礎(chǔ)上開發(fā)的高分辨率的大氣輻射傳輸模式，最新研發(fā)的SCIATRAN 3.1版本，能快速準(zhǔn)確地模擬光譜，還可以用于地基、空基及大氣中任意高度觀測光譜的模擬。輻射傳輸計算的光譜范圍為175.44 nm～40μm，考慮了23種痕量氣體、云、氣溶膠及地表反照率的影響，能夠結(jié)合儀器觀測特點模擬輻射率、權(quán)重函數(shù)、垂直光學(xué)厚度等多種參數(shù)，具有很強的可調(diào)節(jié)性［19］。

本研究充分利用LBLRTM對CO2分子透過率光譜高精度計算的優(yōu)勢，深入了解CO2吸收線特征，研究光譜分辨率和采樣率等儀器關(guān)鍵指標(biāo)對獲取的CO2光譜的影響，結(jié)合SCIATRAN模式強可調(diào)節(jié)性的特點，分析信噪比需求的問題。

2 CO2 遙感儀器光譜參數(shù)

2.1 光譜分辨率

美國和中國皆在發(fā)展高光譜CO2探測器，其典型特點是采用光柵光譜儀，工作波段分別為0.76μm的O2-A帶，1.61μm 的CO2弱吸收帶和2.06μm的CO2強吸收帶。CO2柱含量的探測主要依賴弱吸收帶，譜段范圍在1594～1624μm，約30 nm帶寬；碳衛(wèi)星光譜分辨率初步設(shè)計為0.08 nm（0.312 cm－1），與 OCO衛(wèi)星相似。工作時通過探測吸收帶內(nèi)CO2吸收線強度的變化獲取CO2濃度信息。為了從整個連續(xù)譜帶中準(zhǔn)確辨別出CO2吸收線，探測器應(yīng)該具有高的光譜分辨率。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為273 K，氣壓為1013 hPa）下，1.6μm波段的CO2吸收線寬度約為一常數(shù)值0.07 cm－1［20］，考慮到儀器對 CO2濃度變化的靈敏度和信噪比水平，高光譜探測器分辨率能達(dá)到0.07 cm－1是最理想的情況［21］。但實際上，受儀器研制水平的限制，在保證信噪比的條件下，儀器光譜分辨率達(dá)到0.07 cm－1是非常困難的。

為此，本文在模擬計算中，選擇1976年的美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，同時設(shè)置了多種分辨率進(jìn)行比較（光柵光譜儀分辨率與光譜儀的焦距有關(guān)，涉及到光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化，這里的討論假設(shè)保持焦距不變），將0.07 cm－1作為光譜分辨率（即儀器線型函數(shù)的半高全寬，full width at half maximum，F(xiàn)WHM）的參考標(biāo)準(zhǔn)，分別將0.312 cm－1（代表OCO衛(wèi)星和碳衛(wèi)星光譜分辨率）、0.5 cm－1與之比較，分析CO2吸收光譜的變化特征。LBLRTM本身光譜分辨率可達(dá)0.0014 cm－1，在模擬中采用三角型（triangle scanning）函數(shù)模擬光柵光譜儀的狹縫函數(shù)，并作為儀器線型函數(shù)，與LBLRTM原始光譜進(jìn)行卷積獲得所需要的上述3種光譜分辨率的透過率光譜?；谏鲜鰲l件，模擬了碳衛(wèi)星星下點觀測時CO2透過率光譜，圖1是在3種光譜分辨率下模擬的1.61μm譜段的CO2透過率光譜，太陽短波紅外輻射穿透大氣被地表反射回太空，因此大氣頂出射輻射包含了CO2柱濃度的信息。1.61μm譜段的CO2透過率光譜圖表現(xiàn)出規(guī)則的左右兩支，分別是P支和R支，兩支的分界中心約在6230.81 cm－1，P支和R支透過率最低值中心分別約為6214.58 cm－1和6241.20 cm－1。由圖1可以看到，隨著光譜分辨率的降低，CO2透過率整體增強，雙峰型結(jié)構(gòu)特征變?nèi)酢?/p>

圖1 3種光譜分辨率下的透過率光譜Fig.1 Transmittance spectra for three spectral resolutions

圖1是整層大氣CO2吸收結(jié)果，直接反映了CO2分子吸收線位置和吸收強度。由圖1可見，高光譜分辨率對CO2含量有高度敏感性，但在吸收線中心，穿透大氣CO2的太陽能量也較低，這需要儀器有極高的信噪比水平。另一方面，在0.5 cm－1光譜分辨率下，能量透過率顯著提升，但對CO2含量的敏感性也會下降。同時光譜分辨率為0.312 cm－1（OCO衛(wèi)星和碳衛(wèi)星的分辨率）時的透過率可較好解析CO2吸收譜線特征，對CO2含量有中等程度的敏感性，同時保持適中的輻射強度水平。

2.2 光譜采樣率

光譜采樣率是采樣間隔與光譜分辨率之比，它表示在一個儀器線型函數(shù)的半高全寬上的采樣點個數(shù)。高光譜CO2探測器光譜分辨率高，探測通道多，需要利用面陣式探測器將光柵分出的連續(xù)光譜以離散形式準(zhǔn)確記錄下來。如果光譜儀的分辨率和像元間隔相當(dāng)，在更小尺度上的光譜特征可能在內(nèi)插時被忽略，會出現(xiàn)欠采樣問題。如果表征儀器分辨率的儀器線型函數(shù)的半高全寬（FWHM）與像元間隔之比增加，欠采樣問題可以得到改善［22］。因此，當(dāng)探測器尺度不夠（即采樣空間頻率低）時，探測器記錄的光譜會受到欠采樣問題影響［22］。根據(jù)歐洲SCIMACHY和GOME探測器經(jīng)驗，為避免欠采樣問題影響，光譜采樣率應(yīng)不小于2。美國OCO衛(wèi)星采用了高達(dá)1024×1024維度的短波紅外探測器，以避免欠采樣問題影響。

圖2是在表1條件下模擬的6237～6242 cm－1波數(shù)范圍的透過率光譜，該范圍包含了R支最低值中心，分別是在儀器線型函數(shù)的一個半高全寬上取1，2，4個采樣點得到的透過率光譜圖。由圖2可以看到，在同樣的采樣點數(shù)條件下，光譜分辨率越高（即儀器線型函數(shù)的FWHM越?。瑢ξ站€型的結(jié)構(gòu)特征描述的越精準(zhǔn)，包含了更多的吸收線信息；降低光譜分辨率減弱了吸收線特征，甚至使一些明顯的結(jié)構(gòu)特征消失。且在相同的光譜分辨率條件下，采樣點越多，采樣率越高，則吸收線越平滑規(guī)則，描述的吸收線越精細(xì)。所以，提高光譜分辨率和采樣率，有利于獲取接近CO2分子吸收線的高精度的光譜。

表1 LBLRTM模擬條件列表Table 1 Simulation conditions of LBLRTM

受元器件限制，光譜分辨率和采樣率不能無限提高?，F(xiàn)以512×512維度和1024×1024維度兩種探測器為例，假設(shè)探測器其他參數(shù)相同，僅考慮探測器像元數(shù)量的影響。在類似碳衛(wèi)星和OCO衛(wèi)星的探測器設(shè)計參數(shù)下，兩種維度的探測器分別代表了在1.61μm譜段的CO2吸收線部分采樣、全采樣兩種情況，分別記為探測器A和探測器B。

圖3為模擬的兩種探測器在不同光譜分辨率時的CO2透過率光譜，表2為模擬條件。圖3中分別為探測器A和探測器B的透過率光譜，光譜分辨率分別為0.312 cm－1和0.468 cm－1。由圖3可見，在光譜分辨率為0.312 cm－1時，透過率峰值都約為0.777，光譜分辨率為0.468 cm－1時，透過率峰值約為0.826，這表明儀器光譜分辨率的降低增強了CO2透過率，也減弱了光譜的雙峰型結(jié)構(gòu)特征。另外，在儀器光譜分辨率相同的情況下，兩種探測器獲得的CO2吸收線精度表現(xiàn)出一定差異。

圖4是6235～6245 cm－1波數(shù)范圍內(nèi)兩種探測器在表2條件下對應(yīng)的透過率光譜。由圖4可見，在儀器光譜分辨率為0.312 cm－1時，高采樣率條件下吸收線結(jié)構(gòu)的峰型特征明顯更精細(xì)；結(jié)合表2可以看到，光譜分辨率降低為0.468 cm－1時，兩種探測器的采樣率均提高50%，此時，圖4中兩種探測器探測到的CO2吸收線精度明顯提高。

圖2 3種光譜分辨率和采樣率的透過率光譜Fig.2 Transmittance spectra for three spectral resolutions and sampling ratios

表2 探測器的采樣間隔和在兩種光譜分辨率下的采樣率Table 2 Sampling spacing and sampling ratio for two spectral resolutions of detectors

圖5是6235～6245 cm－1波數(shù)范圍內(nèi)，兩種探測器對應(yīng)表2條件下的采樣率與標(biāo)準(zhǔn)條件相比得到的相對誤差的柱狀圖，其中，將采樣率為4個作為標(biāo)準(zhǔn)條件。由圖5可見，在儀器光譜分辨率為0.312 cm－1時，與探測器B相比，探測器A由于采樣率僅為1.33，在大部分吸收通道上出現(xiàn)了明顯誤差，最大誤差出現(xiàn)在6238.7 cm－1通道，約為4.7%，平均誤差為2.41%；儀器光譜分辨率降低為0.468 cm－1后，探測器B的采樣率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)條件4，探測器A的采樣率達(dá)到2，此時，探測器A在吸收通道處的誤差明顯減小，在部分通道的誤差減小為零。表3是在6235～6245 cm－1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收通道中，部分采樣引起的平均誤差?？梢悦鞔_的是，欠采樣引起的誤差隨著采樣率提高逐漸減小。

根據(jù)奈奎斯特定理［23］，要獲得完整的光譜信息，光譜分辨率須滿足以下條件：

式（3）中，N為探測器空間采樣頻率，L為譜段寬度，H為光譜分辨率（FWHM）。在儀器線型函數(shù)較為對稱的情況下，須滿足式（3）才能保證不受欠采樣問題影響。因此，實際工作中可采取兩種方法避免欠采樣問題影響。第1種是在工作帶寬L保持不變的情況下，降低光譜分辨率H，以增加采樣率；第2種方法，如果需要保持光譜分辨率H不變，則需要縮短帶寬以增加光譜采樣率。具體采用何種方法應(yīng)該綜合考慮儀器研制水平、精度反演需求等多方面影響。

圖3 兩種探測器在兩種光譜分辨率時CO2透過率光譜Fig.3 Transmittance spectra for two spectral resolutions of two detectors

圖4 兩種探測器在表2采樣率下的CO2透過率光譜Fig.4 Transmittance spectra for two detectors under the sampling ratios listed in Table 2

圖5 兩種探測器在不同光譜分辨率條件下的透過率相對誤差Fig.5 Transmittance relative errors for two detectors under two spectral resolutions

表3 波數(shù)范圍在6235～6245 cm－1的吸收通道中，兩種探測器在不同光譜分辨率條件下的透過率平均誤差Fig.3 Transmittance average errors for two detectors under two spectral resolutions，referred to those under the baseline in the absorption channels between 6235－6245 cm－1

3 信噪比需求

信噪比是信號的能量水平和噪聲水平之比，是保證CO2信號可用性的重要指標(biāo)，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度。國內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，了解區(qū)域尺度的CO2通量循環(huán)，CO2柱濃度精度需要達(dá)到 1×10－6～2×10－6［24］。世界氣象組織（WMO）提出的CO2產(chǎn)品精度需求（誤差）為2×10－6～4×10－6。因此，綜合不同領(lǐng)域研究需要，CO2柱濃度（XCO2）觀測精度需求為1×10－6～4×10－6（約1%，OCO衛(wèi)星設(shè)定的精度為1×10－6），這一觀測精度對儀器信噪比提出了很高的要求。XCO2定義為CO2柱濃度和干空氣柱濃度之比，表示為如下形式：

式（4）中，NCO2（z）為高度z的函數(shù)，表示CO2的數(shù)密度，NO2（z）為 O2數(shù)密度，NO2（z）＝0.20955Nair（z），因此式（4）可以寫為

在傳統(tǒng)DOAS反演氣體成分方法中，吸收通道和非吸收通道的比值用于估算CO2含量，因此，選擇在1.61μm譜段信息量很大的典型的吸收通道1602.88 nm（6238.77 cm－1）［25］，模擬邊界層 CO2濃度變化和CO2柱濃度變化對應(yīng)的信噪比需求。中緯度地區(qū)設(shè)定的模擬條件見表4。其中，輻射變化率定義為

式（6）中，f（單位：%）為輻射變化率，這是一種相對變化，也稱為敏感度；T0為背景大氣條件下儀器接收到的輻射，T為CO2濃度變化后儀器接收到的輻射。

表4 SCIATRAN模型模擬條件列表Table 4 Simulation conditions of SCIATRAN

模擬結(jié)果顯示：CO2濃度變化越大，儀器接收到的輻射變化率越大。邊界層CO2濃度變化和CO2柱濃度變化引起的輻射變化率和對應(yīng)的信噪比需求分別見表5和表6。由表5可見，探測邊界層1×10－6的CO2濃度變化信噪比需達(dá)到1900，這是一個極高的要求，目前難以實現(xiàn)。由表6可見，探測整層大氣CO2柱濃度1%的濃度變化，需要的信噪比約為200～300，這一需求可以實現(xiàn)。

表5 探測邊界層CO2濃度變化的信噪比需求Table 5 SNR requirements of detecting CO2concentration variation in boundary layer

表6 探測CO2柱濃度變化的信噪比需求Table 6 SNR requirements of detecting CO2concentration variation in the whole column

需要說明的是，模擬的敏感性與地表狀況、大氣條件以及太陽入射條件密切相關(guān)。盡管在高緯度地區(qū)，太陽以較低的高度角入射時，由于大氣路徑長度的加長，CO2輻射敏感性會更高，但高緯度地區(qū)觀測面臨更大的挑戰(zhàn)，如儀器動態(tài)范圍、云的影響及地表冰雪低的反照率條件，均不利于CO2探測。因此，適宜于CO2探測的地球范圍是中低緯度地區(qū)。在地球廣大的海洋地區(qū)，水面反照率也較低，為提高信噪比，OCO衛(wèi)星和碳衛(wèi)星皆采用了海洋耀斑的形式進(jìn)行觀測。

另外，CO2探測精度要求的區(qū)域尺度與儀器單點探測的信噪比和對應(yīng)區(qū)域尺度密切相關(guān)。目前，OCO衛(wèi)星、碳衛(wèi)星高光譜CO2探測器單次觀測像元尺度為1 km，探測CO2柱濃度變化需要的信噪比可以通過在一定區(qū)域、時段內(nèi)合并單點探測像元的方式來實現(xiàn)，如1個月時段內(nèi)在100 km×100 km區(qū)域上進(jìn)行平均，則可有效降低探測隨機噪音，提高CO2探測精度；但在各種不同觀測條件下，單次探測合并方法以及精度提高程度，仍需進(jìn)一步研究。另一方面，在反演處理中，如果整個譜段上的N條CO2吸收線全部使用，探測噪音約按倍下降，因此，基于全譜段最優(yōu)擬合估計方法，可以降低DOAS方法中對單吸收譜線的高信噪比需求。

綜上所述，1.6μm短波紅外高光譜CO2探測器設(shè)定1×10－6～4×10－6的CO2柱濃度目標(biāo)可以實現(xiàn)。

4 小 結(jié)

面對全球CO2濃度持續(xù)上升的現(xiàn)狀，利用短波紅外的CO2吸收帶遙感CO2全球分布已成為前沿?zé)狳c研究區(qū)域。本文結(jié)合我國正在研制的碳衛(wèi)星高光譜CO2探測器應(yīng)用需求，分析了高光譜探測器光譜分辨率、采樣率以及信噪比等關(guān)鍵指標(biāo)對高精度CO2定量遙感的可能影響，結(jié)果表明：

1）在模擬的多種光譜分辨率中，碳衛(wèi)星光譜分辨率不僅可以較好地分辨CO2光譜譜線特征，而且對CO2含量有中等程度的敏感性，同時保持適中的輻射強度水平。

2）基于512×512維度的小尺寸面陣探測器的光柵光譜儀，在工作帶寬30 nm保持不變的條件下，降低光譜分辨率使探測器面元的光譜采樣率大于2時，避免了光譜欠采樣問題對CO2吸收光譜的可能影響。

3）受儀器信噪比的限制，太陽短波紅外被動遙感難以獲得探測邊界層CO2濃度1%變化所需要的高信噪比，但探測出CO2整層大氣柱濃度1%變化是可以實現(xiàn)的。

本研究結(jié)果不但對高光譜CO2探測器研制具有一定的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義，而且有助于提高對CO2探測任務(wù)艱巨性的理解。今后將對欠采樣問題的定量影響進(jìn)行評估，進(jìn)一步開展對欠采樣光譜的訂正方法研究，建立欠采樣問題的修正模型。

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Spectral Parameters and Signal-to-noise Ratio Requirement for CO2Hyper Spectral Remote Sensor

Wang Qian1）2）Yang Zhongdong2）Bi Yanmeng2）

1）（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）
2）（National Satellite Meteorological Center，Beijing100081）

With the stable increase of carbon dioxide（CO2）concentrations，space based measurement of CO2concentration in lower atmosphere by reflected sunlight in near infrared band has become a hot research topic.Recently，instruments sensitive to total CO2column data in near-surface have become available through the SCIAMACHY instrument on ENVISAT and TANSO-FTS on GOSAT.The developing hyper spectral CO2detector in China carried by TANSAT is going to be launched in 2015.Hyper spectral CO2detector is designed to provide global measurements of CO2in lower troposphere，employing high resolution spectra of reflected sunlight taken simultaneously in near-infrared CO2（1.61μm and 2.06μm）and O2（0.76μm）bands.

Associated with climate change and observation requirements of carbon sources and sinks，the feasibility of making CO2column concentration measurements with high-resolution and high-precision is studied by high resolution atmosphere radiation transfer model.In consideration of the application requirements，effects of key specifications of the hyper spectral CO2detector such as spectral resolution，sampling ratio and sign-to-noise ratio（SNR）on CO2detection are analyzed.

Typical characteristics of hyper spectral CO2detector on TANSAT are grating spectrometer and arraybased detector.To achieve the column averaged atmospheric CO2dry air mole fraction（XCO2）precision requirements of 1×10－6－4×10－6，hyper spectral CO2detector should provide high resolution at first to resolve CO2absorption lines from continuous spectra of reflected sunlight.Compared to a variety of simulated spectral resolutions，the spectral resolution of hyper spectral CO2detector on TANSAT can resolve CO2spectral features and maintain the moderate radiance sensitivity.Since small size array detector-based instruments may suffer from undersampling of the spectra，influences of spectral undersampling to CO2absorption spectra are studied，indicating that sampling ratio should exceed 2 pixels／FWHM to ensure the accuracy of CO2spectrum.

SNR is one of the most important parameters of hyper spectral CO2detectors to ensure the reliability.SNR requirements of CO2detector to different detection precisions are explored based on the radiance sensitivity factors.Results show that it is difficult to achieve SNR to detect 1×10－6－4×10－6CO2concentration change in the boundary layer by solar shortwave infrared passive remote sensing，limited by the instrument development condition and level at present.However，the instrument SNR to detect 1%change in the CO2column concentration is attainable.These results are not only conductive to universal applications and guides on developing grating spectrometer，but also helpful to better understand the complexity of CO2retrieval.

hyper spectral；CO2；remote sensing；TANSAT

王倩，楊忠東，畢研盟.CO2高光譜遙感儀器的光譜參數(shù)和信噪比需求.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（5）：600-609.

2013-08-29收到，2014-07-24收到再改稿。

國家863計劃（2011AA12A104）

*通信作者，email：biym＠cma.gov.cn