我國走向“碳索”新征程實現(xiàn)全球溫室氣體排放監(jiān)測—解讀我國首臺干涉型高光譜溫室氣體遙感器

韓美玲 李碧岑（北京空間機(jī)電研究所）

2017年11月15日，隨風(fēng)云－3D衛(wèi)星順利入軌的我國首臺干涉型溫室氣體觀測遙感器——“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”，將為全球溫室氣體排放監(jiān)測、溫室氣體與氣候變化關(guān)系等問題的研究提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，為建設(shè)美麗中國，為人民創(chuàng)造良好的生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。

該遙感器由中國空間技術(shù)研究院北京空間機(jī)電研究所歷時6年時間研制而成，采用時間調(diào)制型干涉分光的技術(shù)途徑，具有超高光譜分辨率、寬光譜覆蓋和高信噪比等多項優(yōu)秀性能，成為我國高光譜溫室氣體干涉探測的開拓者，實現(xiàn)了多個“國內(nèi)首次”和“國際最高”。

將不同類型光譜的“指紋特征”放大精確探測多種大氣成分

人們在日常生活中能夠看到的光是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過棱鏡等輔助工具分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長大小依次排列形成的圖案就是光譜。地球上不同的元素及其化合物，由于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等不同，都具有不同的光譜特征。這些獨特的光譜特性，類似于人類的指紋，是遙感科學(xué)中用以識別和分析不同物質(zhì)特征的一種重要“身份證”。

據(jù)北京空間機(jī)電研究所專家介紹，風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”是一臺可以將大氣中的微量甚至痕量氣體成分通過光譜解析的方法檢測出來的光譜儀，利用氣體分子對地球反射太陽光譜的吸收，測量出吸收譜線的變化，從而推算出大氣中二氧化碳、甲烷等成分的濃度變化。

該監(jiān)測儀的分光技術(shù)源于經(jīng)典的邁克爾遜干涉原理，這項技術(shù)的一大優(yōu)勢便是可以通過技術(shù)手段使光線走過的行程產(chǎn)生變化，進(jìn)而實現(xiàn)更寬譜段范圍的光譜細(xì)分，光線走過的行程越長，光譜分辨率就越高，即對不同類型的光譜區(qū)分得更精確。為了達(dá)到超高的光譜分辨能力，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測儀在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實現(xiàn)了干涉光程相對機(jī)構(gòu)機(jī)械運動行程的4倍放大，在近紅外至短波紅外譜段的光譜通道數(shù)多達(dá)5000多個。以人們可見的光譜段彩虹打比方，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測儀可以把彩虹的一種顏色又細(xì)分上千倍。

作為國內(nèi)首個星載干涉型溫室氣體觀測遙感器，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測儀對光譜的分辨能力高達(dá)0.03nm，能同時觀測二氧化碳、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氧氣和氣溶膠等多種大氣成分，為科學(xué)家研究碳循環(huán)提供了更為豐富的素材。

超靈敏“觸覺”提高二氧化碳監(jiān)測精度

工業(yè)革命以來，全球變暖、溫室效應(yīng)等氣候變化問題日益嚴(yán)峻，對碳排放的量化監(jiān)測已成為溫室氣體減排的重要技術(shù)保障。大氣中，二氧化碳濃度只有萬分之四，甲烷的含量則僅為百萬分之二左右。北京空間機(jī)電研究所研制的風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”能夠探測到空氣中二氧化碳百萬分之四的濃度變化。

該監(jiān)測儀之所以具有如此超靈敏的“觸覺”，還要得益于北京空間機(jī)電研究所研制團(tuán)隊為其配備的國際上角鏡口徑最大的雙角鏡擺臂式干涉儀，其角鏡口徑是目前在軌的日本“呼吸”衛(wèi)星（GOSAT）的1.5倍。與此同時，科研團(tuán)隊積極攻克了干涉儀口徑增大所帶來的角鏡加工、機(jī)構(gòu)控制等一系列難題，使干涉儀機(jī)構(gòu)具有高抗震性能，結(jié)構(gòu)緊湊，十分適用于復(fù)雜惡劣的空間運行環(huán)境。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”在軌直接獲取的是干涉圖信號，由各種波長的光干涉形成的“明暗條紋”疊加而成，需要地面通過傅里葉變換技術(shù)得到大氣吸收光譜。為了更好地實現(xiàn)干涉信號的高精度采集，監(jiān)測儀配備了激光計量系統(tǒng)。計量激光就像一把看不見的光尺，通過對激光器溫度、電流的精確控制，保障了激光波長的穩(wěn)定，實現(xiàn)了一張干涉圖七萬多個數(shù)據(jù)點的等間隔采樣，進(jìn)而保證了光譜數(shù)據(jù)獲取的精度。

不僅“觀得寬”，而且“察得細(xì)”

全球碳循環(huán)研究對數(shù)據(jù)獲取的廣度和效率提出了新的要求。與常規(guī)遙感相機(jī)不同，風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”并非實現(xiàn)遙感圖像拍攝，而是在穿軌方向即垂直衛(wèi)星飛行的方向進(jìn)行掃描打點觀測。

北京空間機(jī)電研究所研制團(tuán)隊為風(fēng)云－3D衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測儀采用的二維指向機(jī)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了穿軌大角度高速精確切換，同時保證了對衛(wèi)星飛行方向的慢速補(bǔ)償。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”的掃描范圍覆蓋1200km寬度，相當(dāng)于從北京到上海的距離。與此同時，相較于目前在軌的日本“呼吸”衛(wèi)星，風(fēng)云－3衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”的穿軌測量點數(shù)由5點提升至7點和9點兩種模式，單點觀測時長由4s減少至2.2s和1.1s，觀測效率提升1倍。

不僅會“豎直往下看”，還會“斜著角度看”、“自動盯著耀斑看”

與所有監(jiān)測類有效載荷相同，監(jiān)測儀可以實現(xiàn)對觀測目標(biāo)“盯著看”以及“在軌體檢”功能，即利用太陽作為標(biāo)準(zhǔn)能量源，對監(jiān)測儀本身的各項指標(biāo)進(jìn)行檢查，并對由于空間環(huán)境等因素造成的指標(biāo)偏差進(jìn)行校正。

除常規(guī)監(jiān)測類有效載荷都具備的上述兩種觀測模式外，該監(jiān)測儀還首次設(shè)計了陸地和海洋自主識別功能，在陸地上空對準(zhǔn)地面進(jìn)行溫室氣體探測；在海洋上空，監(jiān)測儀則自動盯著“海中的太陽”觀測，獲取海上大氣中溫室氣體含量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全球溫室氣體數(shù)據(jù)的高效獲取。監(jiān)測儀的二維指向機(jī)構(gòu)就像一個優(yōu)雅而靈動的舞者，時而跳動充滿節(jié)奏的“探戈”，時而溫情凝視廣袤的海洋，反射太陽的耀眼光影，指引監(jiān)測儀“豎直往下看”、“斜著角度看”、“自動盯著耀斑看”。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測儀”開創(chuàng)了多項國內(nèi)首次和國際第一，實現(xiàn)了我國光譜遙感事業(yè)向“超光譜”時代的跨越，并將為我國的溫室氣體監(jiān)測業(yè)務(wù)運行積累基礎(chǔ)，將為我國應(yīng)對氣候變化、掌握碳交易主動權(quán)、保障國家低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重大的貢獻(xiàn)。