星載超光譜大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀載荷

熊偉

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星載超光譜大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀載荷

熊偉1,2

（1 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，合肥 230031）（2 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗，合肥 230031）

“高分五號”衛(wèi)星是中國高分重大專項中第一顆高光譜分辨率衛(wèi)星，共搭載有六臺有效載荷，其中大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀是實現(xiàn)CO2、CH4等溫室氣體探測的超光譜專用載荷。該載荷采用新型空間外差光譜技術(shù)原理，具有無運動部件分光、超光譜、光通量大等技術(shù)特色，是國際上首次實現(xiàn)基于該技術(shù)體制研制的溫室氣體載荷，且完全依托中國現(xiàn)有基礎(chǔ)進(jìn)行自主研制。文章主要介紹了大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀探測原理及方案、在軌工作模式設(shè)計，研制過程中突破的一體化干涉儀膠合、星上定標(biāo)、海洋耀斑觀測等多項關(guān)鍵技術(shù)。闡述了載荷地面定標(biāo)及性能驗證等工作，對定標(biāo)及測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該載荷性能已到達(dá)了國際同類載荷的先進(jìn)水平。文章最后還對溫室氣體后續(xù)探測載荷發(fā)展提出了一些具體建議。

溫室氣體 空間外差光譜技術(shù) 超光譜 外差干涉儀 “高分五號”衛(wèi)星

0 引言

“高分五號”（GF-5）衛(wèi)星是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項中第一顆高光譜遙感衛(wèi)星，主要面向國家污染減排、環(huán)境監(jiān)管、大氣成分與氣候變化監(jiān)測、國土資源調(diào)查等重大需求，開展污染氣體、溫室氣體、區(qū)域環(huán)境空氣品質(zhì)、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境、地礦資源調(diào)查等遙感監(jiān)測[1]。GF-5衛(wèi)星裝載可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀共六臺有效載荷。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所負(fù)責(zé)其中大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）有效載荷的研制任務(wù)。

GMI運行在軌道高度為705km的太陽同步軌道上，采用天底和耀斑觀測模式，獲取周期性探測數(shù)據(jù)，并具備在軌定標(biāo)功能。載荷的主要任務(wù)是以大氣中主要的溫室氣體CO2、CH4為探測對象（O2為輔助探測通道），通過獲取的各氣體的超分辨吸收光譜信息，反演大尺度范圍上的大氣主要溫室氣體柱濃度含量數(shù)據(jù)，從而為“源”與“匯”分析、污染減排和環(huán)境外交服務(wù)。

GMI是我國首臺實現(xiàn)基于空間外差光譜（SHS）技術(shù)原理的星載超光譜大氣探測載荷，也是國際上首次將該技術(shù)應(yīng)用于溫室氣體探測，最高光譜分辨率達(dá)到0.035nm，且載荷克服了傳統(tǒng)超光譜分光的不足，如光柵分光對大面陣刻劃光柵的依賴；FTS分光對動靜精密控制的工程限制等。

本文主要了分析GMI載荷的探測原理、技術(shù)方案、單機組成以及工作模式，以及研制過程中突破的多項核心關(guān)鍵技術(shù)，最后對載荷的地面定標(biāo)及測試情況進(jìn)行了介紹，表明該載荷性能水平已達(dá)到了國際同類載荷的先進(jìn)水平，為下一步溫室氣體反演及產(chǎn)品應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 載荷溫室氣體探測原理

由于溫室氣體在大氣中含量相對較少（如CO2約390ppm）[2-4]且變化幅度不大（由季節(jié)性的光合作用變化引起的CO2濃度波動從北半球的約12 ppm –22ppm，向南半球遞減到1 ppm –2ppm），而根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)論，天基觀測要想超過現(xiàn)有的觀測網(wǎng)絡(luò)，至少要在8°×10°的格網(wǎng)上達(dá)到2.5ppm的月平均精度。這就對觀測儀器提出了很高的要求，根據(jù)相關(guān)研究[5]，要使反演結(jié)果達(dá)到如此高的精度，必須采用超高光譜分辨率的觀測設(shè)備。

大氣主要溫室氣體的高精度探測對探測儀器的光譜分辨率、譜段、空間分辨率以及信噪比、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)均有一定的要求，而這些要求均是相互制約的。美國OCO-2和日本GOSAT溫室衛(wèi)星分別采用光柵分光方案和傅里葉干涉方案，而目前正在快速發(fā)展的空間外差技術(shù)也是一種可以獲取高光譜分辨率的技術(shù)，這三種方案都在滿足技術(shù)指標(biāo)需求的基礎(chǔ)上分別具有各自的技術(shù)特點[6-10]，如表1所示：

表1 超光譜分光技術(shù)方案特點對比

Tab.1 Comparison of the characteristics of hyperspectral Spectroscopy

空間外差光譜技術(shù)原理如圖1所示，該技術(shù)采用衍射光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)邁克爾遜干涉儀中的平面鏡，入射光源經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭后轉(zhuǎn)化為具有一定視場角的平行光束入射至分束器，被分光后形成能量近似相等的兩束相干光束，經(jīng)兩臂光柵衍射后光束再次返回至分束器并發(fā)生干涉，干涉條紋經(jīng)成像鏡頭比例縮放后由探測器接收。空間外差光譜技術(shù)通過頻率外差的調(diào)制方式，利用光柵衍射方程和空間調(diào)制原理，可在相對較窄的光譜范圍內(nèi)獲得極高的光譜分辨率，與傳統(tǒng)干涉測量從零頻起始相比，具有任意波段選頻和易于滿足采樣定理要求的特點[11-14]。

圖1 空間外差光譜儀原理

GMI采用空間外差光譜技術(shù)原理進(jìn)行載荷研制，利用大氣的吸收特性，探測各溫室氣體吸收波段內(nèi)的光譜信息（由干涉圖復(fù)原光譜后得到），經(jīng)光譜/輻射定標(biāo)后得到光譜輻亮度值，其值的大小跟吸收氣體的濃度信息相關(guān)，可以反演出溫室氣體在大氣中的含量。GMI載荷在軌觀測數(shù)據(jù)經(jīng)地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理后可獲取的各級產(chǎn)品及功能為：

1）采用空間外差干涉儀進(jìn)行超光譜分光，在軌探測O2（760nm）、CO2（1 575nm、2 050nm）、CH4（1 640nm）四個光譜通道的干涉圖數(shù)據(jù)，得到0級數(shù)據(jù)產(chǎn)品；

2）通過對干涉圖進(jìn)行誤差修正、傅里葉變換等數(shù)據(jù)預(yù)處理獲得目標(biāo)氣體超分辨吸收光譜，并加載光譜及輻射定標(biāo)系數(shù)，得到載荷的1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品（輻亮度光譜）；

3）利用物理模型對1級產(chǎn)品進(jìn)行定量反演，獲取氣體柱濃度數(shù)據(jù)（2級產(chǎn)品），并進(jìn)行月平均計算，得到全球溫室氣體濃度分布（3級產(chǎn)品）；

4）將3級產(chǎn)品提供給相關(guān)用戶，從而實現(xiàn)相應(yīng)的溫室氣體“源”與“匯”分析，并開展氣候等方面的科學(xué)研究。

GMI在軌工作原理如圖2所示。

2 載荷技術(shù)方案及單機組成

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀主體光學(xué)系統(tǒng)依據(jù)功能在組成上分為五部分（如圖3所示）：

圖2 大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀探測系統(tǒng)流程圖

圖3 大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀總體光學(xué)布局

1）望遠(yuǎn)系統(tǒng)。滿足系統(tǒng)地面分辨率指標(biāo)（視場角）、系統(tǒng)信噪比的要求（口徑），并提供來自目標(biāo)的平行光束。

2）分色組件。將不同波段的光譜輸入至各通道準(zhǔn)直中繼系統(tǒng)內(nèi)。

3）準(zhǔn)直中繼系統(tǒng)。將一體化膠合干涉儀壓縮在適當(dāng)?shù)某叽绾唾|(zhì)量范圍，將望遠(yuǎn)出瞳出射的平行光準(zhǔn)直為滿足干涉儀要求的有效通光口徑和視場角的平行光，且出瞳在光柵面上。

4）空間外差干涉儀。由分束器、隔片、擴(kuò)視場棱鏡、光柵等十個光學(xué)元件膠合而成。

5）成像系統(tǒng)。要求具備特定的縮放比，將干涉條紋成像在焦平面上。

根據(jù)GMI的各項技術(shù)指標(biāo)要求，共分為四個單機：①光機頭部（GP601）位于有效載荷艙，是儀器的信息獲取單元，光機頭部包含儀器的光學(xué)系統(tǒng)、定標(biāo)系統(tǒng)、二維指向系統(tǒng)以及四路光譜儀的電子學(xué)系統(tǒng)；②信息處理器（GP602）是儀器的主要控制單元，它用于實現(xiàn)儀器的工作模式與狀態(tài)管理；③驅(qū)動控制器箱（GP603）用于實現(xiàn)二維指向鏡的驅(qū)動和控制；④溫控箱（GP604）用于實現(xiàn)儀器光機頭部關(guān)鍵部位的溫度閉環(huán)控制，并收集其溫度信息。系統(tǒng)單機組成框圖如圖4所示：

圖4 大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀單機組成框

GMI依據(jù)在軌探測要求，載荷共設(shè)計有三種工作模式：觀測模式、定標(biāo)模式和待機模式。根據(jù)地表情況，觀測模式分為陸地模式和海洋模式，其中陸地模式采用天底觀測方式（利用二維指向機構(gòu)進(jìn)行穿軌方向擺掃取點觀測，沿軌實時補償），海洋模式采用耀斑觀測方式（利用二維指向機構(gòu)進(jìn)行實時跟蹤耀斑）。定標(biāo)模式主要利用載荷自帶的定標(biāo)裝置開展周期性星上光譜及輻射定標(biāo)。載荷處于非光照區(qū)時，進(jìn)行待機模式。

3 關(guān)鍵技術(shù)突破情況

GMI是我國首臺基于SHS新體制原理的星載超光譜遙感探測儀器，面臨多項技術(shù)、工藝、實驗等方面問題需攻克，這里重點介紹載荷研制過程突破的三項代表性的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 一體化集成星載外差干涉儀技術(shù)

外差干涉儀單元是GMI的載荷的核心部件，決定了儀器的光譜分辨能力、光譜范圍等性能指標(biāo)，由分束器、光柵、擴(kuò)視場棱鏡等組成。在空間環(huán)境應(yīng)用中，干涉儀要受到?jīng)_擊、振動、溫度梯度變化以及輻照等諸多因素的影響，需要干涉儀具有較高的穩(wěn)定性；此外在載荷研制過程中，干涉儀由于部件多，需減少裝調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。為解決上述問題，將外差干涉儀多部件進(jìn)行一體化集成設(shè)計，將干涉儀設(shè)計成十部件，采用專用光膠及自研的膠合調(diào)整設(shè)備進(jìn)行一體化組合，減少了大量的固定調(diào)整機構(gòu)及干涉儀的體積和質(zhì)量，并且整個干涉儀是一個整體，一旦膠合完成，就無需再進(jìn)行光路調(diào)整，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性。一體化集成外差干涉儀膠合示意圖和實物圖如圖5所示。

圖5 一體化集成外差干涉儀（左圖：干涉儀膠合示意；右圖：干涉儀實物）

一體化集成外差干涉儀對應(yīng)力敏感，要求無應(yīng)力安裝，同時要求安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備較高的剛度，連接結(jié)構(gòu)具有較強的抗振性。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要保證光學(xué)基準(zhǔn)到結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移。因此，設(shè)計了一體化的安裝基座，利用工裝將一體化干涉儀單元固定后，在其四周包括壓片的底面上均灌入硅膠，形成緩沖層，并在安裝過程中全程采用Zygo干涉儀檢測安裝應(yīng)力和固化應(yīng)力。

3.2 星上實時海洋耀斑跟蹤觀測技術(shù)

溫室氣體反演的工作波段決定其在陸地和海洋工作方式的不一致性。近紅外是進(jìn)行溫室氣體探測和反演的光譜波段，與陸地表面漫反射方式的不同，海洋水體在這一波段除鏡面反射外無離水輻射，若采用陸地的垂直或任意角度觀測方式，由于無法獲取有效下墊面輻射信號，而使得海洋上方溫室氣體無法反演。針對海洋條件的下墊面這一反射特性，設(shè)計了實時測量水體鏡面反射工作模式，即海洋耀斑觀測。

耀斑跟蹤主要根據(jù)衛(wèi)星平臺實時提供的軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)以及時間來計算太陽、衛(wèi)星的矢量夾角，然后采用二分法計算地心慣性坐標(biāo)系下的耀斑矢量，將其轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系后計算二維指向鏡指向耀斑觀測角度，然后控制二維指向鏡指向耀斑觀測點（如圖6所示）。地面利用STK相關(guān)數(shù)據(jù)對耀斑跟蹤模式進(jìn)行了驗證，精度滿足0.05°。

圖6 海洋耀斑實時跟蹤計算流程

3.3 全視場、全孔徑星上超光譜定標(biāo)技術(shù)

對于高精度的大氣溫室氣體反演，不僅需要載荷具有高的信噪比和光譜分辨率，高精度的遙感器定標(biāo)也同樣不可或缺。GMI星上定標(biāo)方案采用高穩(wěn)定度的太陽光作為定標(biāo)光源。通過太陽照明定標(biāo)器建立空間級大面積輻射標(biāo)準(zhǔn)源，在載荷光路的最前端充滿其觀測孔徑和視場，實現(xiàn)端到端的全光路定標(biāo)。載荷在進(jìn)行星上定標(biāo)時，二維掃描機構(gòu)從天底觀測指向調(diào)整角度對準(zhǔn)星上定標(biāo)系統(tǒng)，從而將定標(biāo)光源太陽光導(dǎo)入載荷望遠(yuǎn)鏡開始進(jìn)行定標(biāo)模式數(shù)據(jù)采集，為監(jiān)視漫反射衰變及測量儀器本底，分別設(shè)計了比輻射計和光陷阱裝置。如圖7所示。

圖7 GMI星上定標(biāo)裝置示意

GMI星上定標(biāo)包括光譜定標(biāo)與輻射定標(biāo)，兩者均采用同一星上定標(biāo)裝置，定標(biāo)時間都選取在衛(wèi)星過南極區(qū)域附近。對于輻射定標(biāo)而言，定標(biāo)時間選取需滿足陽光能夠入射到定標(biāo)裝置，且陽光未受大氣吸收影響。光譜定標(biāo)時間選取滿足陽光能夠入射到定標(biāo)裝置，且陽光切過大氣層高度范圍為10~100km。

4 載荷光譜定標(biāo)及吸收光譜測試

對于星載溫室氣體探測而言，載荷的光譜分辨率和信噪比是兩項最為核心的指標(biāo)，影響到氣體柱濃度反演精度水平。此外，在載荷發(fā)射之前，需模擬氣體吸收環(huán)境，利用載荷進(jìn)行實測數(shù)據(jù)獲取，能夠綜合反演儀器的探測能力。GMI在研制過程中，針對儀器技術(shù)特點，分別利用本單位研制的超光譜掃描定標(biāo)裝置以及大氣環(huán)境模擬定標(biāo)倉等專用設(shè)備開展了光譜定標(biāo)以及吸收光譜測試等實驗。

4.1 光譜定標(biāo)

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀載荷光譜定標(biāo)采用超光譜掃描定標(biāo)方案[15-16]：三臺激光器發(fā)出的單色光分別經(jīng)起偏、功率穩(wěn)定、空間濾波后導(dǎo)入到積分球中，經(jīng)積分球輸出單色、可調(diào)諧、高亮度、均勻的輻亮度光源（如圖8所示）；分別在儀器波段范圍調(diào)諧不同輸出單色光，獲取對應(yīng)的干涉數(shù)據(jù)，完成光譜定標(biāo)。該定標(biāo)方法具備波長調(diào)諧精度高（1pm）、波長輸出絕對精度高（pm級）、光譜線寬窄（MHZ級）、功率輸出穩(wěn)定等特點，能夠滿足大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀超光譜定標(biāo)精度要求。

通過入射不同波長的單色光采集不同頻率干涉圖，建立干涉條紋頻率f（光譜點）與入射光波數(shù)（cm–1）之間（縱坐標(biāo)）對應(yīng)關(guān)系，從而計算各光譜點對應(yīng)波數(shù)（cm–1）值，完成波長定標(biāo)系數(shù)的獲取。圖9為GMI的1 575nm（CO2弱吸收帶）通道不同波長單色光掃描結(jié)果，擬合后光譜定標(biāo)方程為：

= –0.011 0+6 390.733

圖8 GMI超光譜定標(biāo)示意

圖9 1 575nm通道光譜掃描結(jié)果

由于單色光帶寬可忽略，經(jīng)載荷探測并光譜復(fù)原后的結(jié)果近似Sinc函數(shù)，即以極大值為中心呈振蕩衰減，逐漸趨于零。將上述各單色光光譜歸一化后，極大值移到同一點，此時單色光光譜即為儀器線型函數(shù)（ILS），采用光譜半峰全寬（FWHM）值為儀器的光譜分辨率，如圖10所示。結(jié)果表明儀器光譜范圍內(nèi)各波數(shù)均滿足光譜分辨率均小于0.27cm–1，并且在光譜范圍內(nèi)具有較好的一致性。

圖10 1 575nm光譜通道儀器線型函數(shù)結(jié)果

4.2 載荷吸收光譜測試

為進(jìn)行地面吸收光譜測試，研制了大氣環(huán)境模擬定標(biāo)倉裝置[17-18]，包括：積分球輻射源（充氮處理，剔除了空氣中O2、CO2、H2O的干擾）、5m長光程吸收池，溫度控制單元、配氣單元等。該裝置配氣精度優(yōu)于2%，溫度控制精度優(yōu)于0.5°?；诖髿饽M定標(biāo)倉的吸收光譜測試實驗示意如圖11所示：首先利用抽氣設(shè)備把大氣環(huán)境模擬定標(biāo)倉抽取到高真空狀態(tài)，進(jìn)行背景光譜測量；然后利用配氣設(shè)備進(jìn)行溫室氣體標(biāo)準(zhǔn)濃度的配比，并利用溫度控制設(shè)備進(jìn)行溫度控制，待溫、壓等參數(shù)穩(wěn)定后，載荷進(jìn)行吸收光譜的測量，根據(jù)目標(biāo)光譜與背景光譜獲取實測透過率光譜。

圖11 大氣環(huán)境模擬定標(biāo)倉實驗示意

根據(jù)朗伯-比爾定律，輻射能量經(jīng)過大氣吸收后的理論透過率計算公式為：

式中為大氣吸收截面；為大氣濃度；為大氣吸收程長。

大氣吸收截面的計算條件為載荷測量實際透過率時吸收池狀態(tài)，根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫計算各通道吸收截面。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程、目標(biāo)氣體壓強、氣體實際溫度為，計算目標(biāo)氣體濃度。將計算出的透過率光譜與相應(yīng)通道的儀器線型函數(shù)進(jìn)行卷積，得到各通道理論透過率。圖12為GMI的1 575nm（CO2弱吸收帶）通道實測吸收光譜與理論光譜的結(jié)果對比圖。

對理論透過率光譜和實測透過率光譜的主要吸收峰位置偏差進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖13所示。吸收峰位置最大偏差<0.03cm–1，平均偏差為達(dá)到0.008 3cm–1，測試結(jié)果表明GMI測量透過率光譜與理論透過率光譜一致性較好，吸收峰深度吻合、吸收峰位置對應(yīng)準(zhǔn)確。

圖12 1 575nm（CO2）通道理論光譜和實測光譜結(jié)果

圖13 1 575nm（CO2）通道理論光譜和實測光譜吸收峰位置偏差統(tǒng)計

5 結(jié)束語

我國溫室氣體星載探測已實現(xiàn)了從無到有的質(zhì)突破，必將會在大氣環(huán)境、氣候研究等方面發(fā)揮重大作用。但隨著下一代溫室氣體探測新的需求，如實現(xiàn)對重點工業(yè)區(qū)（點源目標(biāo)）的探測、同一目標(biāo)探測時間間隔小于1天、能夠滿足碳排放清單的制作需求等方面，對溫室氣體載荷提出了更高的要求。從當(dāng)前的應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展來看，未來CO2、CH4及其他溫室氣體探測技術(shù)的發(fā)展主要向以下幾個方面發(fā)展趨勢：

1）高光譜分辨率，提高探測精度；

2）高空間分辨率，地面分辨率達(dá)到2km×2 km；

3）寬覆蓋范圍，覆蓋寬度在1 000km以上；

4）高信噪比，提高反演精度，滿足1%變化量的探測靈敏度；

5）對流層及中間層數(shù)據(jù)同步獲取，提高廓線水平；

6）短覆蓋周期，監(jiān)視溫室氣體短期內(nèi)的變化情況，可利用衛(wèi)星星座技術(shù)。

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Hyperspectral Greenhouse Gases Monitor Instrument (GMI) for Spaceborne Payload

XIONG Wei1,2

（1 Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China）（2 Key laboratory of Optical Calibration and Characterization of Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China）

GF-5 Satellite, which has six payloads, is the first high spectral resolution satellite in the Chinese High Resolution Major Special Projects. The Main Greenhouse Gases Monitor Instrument (GMI) is one of the payloads to detect CO2and CH4. The key technical principle of the payload is spatial heterodyne spectroscopy (SHS), which has the characteristic of no moving parts, hyperspectral resolution and high throughput. GMI is the first greenhouse payload based on SHS and is totally developed in China. The detection principle, conceptual design and operating mode on orbit are given. The key technologies such as integrated gluing, on-orbit calibration and ocean flare observing are resolved in the project. The calibration on ground and performance test are introduced and the calibration and test data are analyzed. The results show that the payload has achieved the same advanced level with other similar international payloads. Some specific advices about follow-up greenhouse detection are given.

greenhouse gases; spatial heterodyne spectroscopy; hyperspectral; heterodyne interferometer; GF-5 satellite

O433.1

A

1009-8518(2018)03-0014-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.002

熊偉，1975年生，博士，研究員，大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀載荷主任設(shè)計師，主要從事超光譜遙感探測技術(shù)研究。E-mail：frank@aiofm.ac.cn。

2018-04-05

國家高分重大科技專項

（編輯：劉穎）