碳衛(wèi)星高光譜二氧化碳探測(cè)儀基于太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線的在軌波長(zhǎng)定標(biāo)

畢研盟 王倩 ,2,3 楊忠東 劉成保 藺超 田龍飛 張乃強(qiáng) 王雅澄

1 許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心, 中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心, 北京100081

2 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 合肥 230031

3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230026

4 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 長(zhǎng)春 130033

5 中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院, 上海201203

6 華云星地通科技有限公司, 北京100081

7 航天恒星科技有限公司, 北京100086

1 引言

探測(cè)全球大氣CO2濃度的分布對(duì)了解碳源匯，改進(jìn)對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)都非常重要（Miller et al.,2007; Chatterjee et al., 2017; Schwandner et al.,2017）。中國(guó)全球二氧化碳觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星（TanSat）在2016 年11 月21 日成功發(fā)射，運(yùn)行在700 km 的太陽(yáng)同步軌道上，軌道升交點(diǎn)地方時(shí)13:30。碳衛(wèi)星探測(cè)的主要目標(biāo)是區(qū)域到大陸尺度的大氣CO2濃度分布，探測(cè)精度是1%（1～4 ppm）。碳衛(wèi)星搭載的大氣二氧化碳光柵光譜儀（ ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）是一個(gè)三譜段光柵光譜儀，探測(cè)波段為中心波長(zhǎng)在0.76 μm 的O2吸收帶（O2A）,1.61 μm 的弱CO2吸收帶（WCO2） 和2.06 μm 的強(qiáng)CO2吸收帶（SCO2）。ACGS 儀器的一次觀測(cè)可以獲取9 個(gè)空間像元的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為3.4 Hz, 觀測(cè)視場(chǎng)的空間分辨率為2 km（沿軌）× 3 km（跨軌），星下探測(cè)幅寬是20 km（Yang et al.,2020）。

ACGS 可以獲取大氣CO2濃度、氣溶膠和云的信息。云會(huì)阻擋太陽(yáng)輻射到達(dá)地面，遮擋云下大氣CO2柱含量的探測(cè)，因此CO2的反演首先要進(jìn)行云檢測(cè)。O2A 帶的觀測(cè)光譜包含云量和地表氣壓信息。XCO2是CO2柱濃度和干空氣柱濃度之比，稱為氣柱平均干空氣質(zhì)量混合比，可通過(guò)WCO2和SCO2波段的觀測(cè)光譜和模擬光譜的迭代擬合得到（O’ Dell et al., 2012; Crisp et al., 2012）。在迭代過(guò)程中，若儀器效應(yīng)和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的觀測(cè)和模擬光譜偏差較大，可能導(dǎo)致XCO2反演失敗。因此，評(píng)估儀器效應(yīng)引起的光譜變化對(duì)XCO2反演至關(guān)重要。

在軌光譜定標(biāo)涉及到儀器線型（ILS, Instrument Line Shape）定標(biāo)和波長(zhǎng)定標(biāo)兩個(gè)方面。ILS 代表單個(gè)像元探測(cè)器對(duì)單色光的響應(yīng)。Sun et al.（2017）針對(duì)OCO-2 儀器利用不同的分析函數(shù)擬合ILS，分析了儀器在軌的ILS 變化。對(duì)TanSat，由于ACGS 的ILS 的頂端和翼區(qū)存在一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特征，上述分析函數(shù)不能夠完全表征ACGS 的ILS 特征（如圖1 所示）。因此，本文假設(shè)ILS 在軌狀態(tài)保持不變，僅研究?jī)x器在軌運(yùn)行期間相對(duì)于發(fā)射前的波長(zhǎng)變化。不同于OCO-2 衛(wèi)星的對(duì)日觀測(cè)采用的漫透射板，碳衛(wèi)星ACGS 的對(duì)日觀測(cè)采用了漫反射板，因此對(duì)碳衛(wèi)星ACGS，以上線型不變的假設(shè)是合理的。另外，碳衛(wèi)星沒(méi)有會(huì)引起翼區(qū)加寬的在軌去污染事件 （Crisp et al., 2017），因此，本文假設(shè)在軌ILS 不變，重點(diǎn)在于波長(zhǎng)定標(biāo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的（a）O2A 帶、（b）WCO2 帶和（c）SCO2 帶星下像元的中心區(qū)域的儀器線型（ILS）Fig. 1 Preflight ILS (Instrument Line Shape) functions at three adjacent pixels located in the central section of FPA (Focal Panel Arrays) for (a) O2A band, (b) WCO2 band and (c) SCO2 band

在軌光譜定標(biāo)通常是利用觀測(cè)的太陽(yáng)輻射光譜和參考太陽(yáng)光譜擬合計(jì)算實(shí)現(xiàn)的（Chance, 1998;Liu et al., 2005, 2010; Munro et al., 2016; Sun et al.,2017）。相對(duì)于以往擬合全譜段太陽(yáng)吸收線的方法，本研究利用獨(dú)立的太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線作為參考基準(zhǔn)。這種方法的特點(diǎn)在于，利用ACGS 在北極附近通過(guò)漫反射板觀測(cè)的太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線的真實(shí)位置直接計(jì)算波長(zhǎng)偏移量，避免了復(fù)雜的擬合匹配過(guò)程。但它的缺點(diǎn)是由于吸收線的位置可能受到輻射定標(biāo)不確定性的影響，分析結(jié)果也輕微依賴于所選的基準(zhǔn)吸收線。

本文的分析采用的是ACGS 最新版本的L1 級(jí)輻射數(shù)據(jù)。Yang et al.（2020）給出了TanSat 早期在軌測(cè)試結(jié)果，在前期工作基礎(chǔ)上，我們對(duì)儀器暗背景定標(biāo)、光譜定標(biāo)偏差進(jìn)行了訂正，形成了新版本的一級(jí)輻射光譜數(shù)據(jù)；并進(jìn)一步優(yōu)化我們光譜定標(biāo)算法，給出了從衛(wèi)星發(fā)射入軌后一年的光譜定標(biāo)結(jié)果。這一結(jié)果明顯揭示了ACGS 波長(zhǎng)對(duì)在軌狀態(tài)的依賴，表現(xiàn)為在軌太陽(yáng)定標(biāo)觀測(cè)模式次數(shù)變化后對(duì)光譜定標(biāo)產(chǎn)生影響，隨后儀器狀態(tài)穩(wěn)定后，O2A帶波長(zhǎng)偏差出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，兩個(gè)CO2帶保持穩(wěn)定。

2 基于獨(dú)立太陽(yáng)吸收線的光譜定標(biāo)方法

碳衛(wèi)星ACGS 通過(guò)漫反射板進(jìn)行對(duì)日觀測(cè)，如果直接觀測(cè)太陽(yáng)，儀器會(huì)飽和。漫反射板的作用是減弱輻射強(qiáng)度，不會(huì)改變ILS 線型特征。 在2017 年2～7 月的在軌測(cè)試階段，ACGS 在北極附近會(huì)進(jìn)行每?jī)绍壱淮蔚膶?duì)日觀測(cè)，每天可以獲取6～7 次的對(duì)日觀測(cè)數(shù)據(jù)。在軌測(cè)試后，ACGS 對(duì)日觀測(cè)的頻率降低為每天1 次。對(duì)日觀測(cè)是在完成科學(xué)觀測(cè)后，進(jìn)入陰影區(qū)之前進(jìn)行的，共10 分鐘的時(shí)間，包括3 分鐘的指向準(zhǔn)備，5 分鐘的對(duì)日觀測(cè)和2 分鐘的太陽(yáng)掩星觀測(cè)。中間5 分鐘的對(duì)日觀測(cè)可以得到一千多幀的太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)。太陽(yáng)光譜經(jīng)過(guò)多普勒效應(yīng)修正后，合并成一個(gè)過(guò)采樣光譜，用于進(jìn)行光譜定標(biāo)精度的評(píng)估。

ACGS 采用二維探測(cè)器對(duì)每個(gè)譜段的輻射數(shù)據(jù)采樣，探測(cè)器的一維是空間維，一維是光譜維。O2A 帶有1242 個(gè)光譜像元，兩個(gè)CO2譜段的光譜維像元數(shù)均為500。為保證光譜采樣率大于2，同時(shí)保持較高的信噪比水平，WCO2和SCO2譜段的光譜分辨率分別設(shè)置為0.14 nm 和0.18 nm，這一光譜分辨率均低于美國(guó)OCO-2 的光譜參數(shù)設(shè)置，O2A 帶保持與OCO-2 相等的水平 （Frankenberg et al., 2015; Crisp et al., 2017）。表1 給出了碳衛(wèi)星ACGS 的詳細(xì)光譜參數(shù)。

ACGS 每個(gè)像元的ILS 和波長(zhǎng)都是發(fā)射前由可調(diào)諧激光器測(cè)定的（Yang et al., 2018）。 圖1 是星下像元每個(gè)譜段三個(gè)中間像元的ILS 線型。每個(gè)像元的波長(zhǎng)λp由5 次多項(xiàng)式計(jì)算得到：

其中，p表示像元序號(hào)，對(duì)應(yīng)探測(cè)器的第一個(gè)像元到最后一個(gè)像元。每個(gè)探測(cè)器的像元總數(shù)如表1 所示。c是色散系數(shù)，是實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)測(cè)得的，每個(gè)空間像元和波長(zhǎng)均有各自對(duì)應(yīng)的系數(shù)。圖2 給出了三個(gè)譜段，第五個(gè)空間像元，波長(zhǎng)與光譜像元的函數(shù)關(guān)系。5 次多項(xiàng)式擬合的精度足夠滿足ACGS的1/10 光譜分辨率的光譜定標(biāo)精度需求。

圖2 星下像元（a）O2A 帶、（b）WCO2 帶和（c）SCO2 帶波長(zhǎng)及像元序號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 2 An example of wavelength as a function of pixel index in the focal plane at FOV 5 for (a) O2A band, (b) WCO2 band and (c) SCO2 band

表1 TanSat ACGS 主要光譜參數(shù)Table 1 Spectral parameters of the TanSat ACGS instrument

本研究采用高分辨率的Kurucz 太陽(yáng)光譜作為參考光譜 （Fontenla et al., 1999; Chance and Kurucz,2010），最早為日本GOSAT 衛(wèi)星研發(fā)，它可以滿足TanSat 高光譜CO2探測(cè)儀光譜定標(biāo)的需求。Kurucz 太陽(yáng)光譜的采樣分辨率為0.001 nm, 數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)站獲取(http://Kurucz.harvard.edu/sun [2020-02-10])。 ACGS 的太陽(yáng)觀測(cè)光譜可以清晰分辨出太陽(yáng)外層大氣元素吸收形成的太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線。Kurucz 太陽(yáng)光譜的光譜分辨率比ACGS 高一個(gè)量級(jí)，因此，Kurucz 太陽(yáng)光譜可以作為ACGS 在軌光譜定標(biāo)的參考光譜。

圖3 給出了對(duì)應(yīng)于ACGS 三個(gè)譜段的Kurucz太陽(yáng)光譜和用于ACGS 光譜定標(biāo)的參考吸收線位置（紅色叉號(hào)所示）?；诶碚撎?yáng)光譜的光譜定標(biāo)方法，首先需要選擇合適的吸收線中心位置作為參考標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠清晰從光譜中分辨出來(lái)，基準(zhǔn)吸收線需要獨(dú)立可分辨，并且具有一定的吸收強(qiáng)度。儀器在軌運(yùn)行后的波長(zhǎng)漂移是由儀器在軌運(yùn)行時(shí)的儀器效應(yīng)和多普勒效應(yīng)造成的。多普勒效應(yīng)可以通過(guò)衛(wèi)星和太陽(yáng)的相對(duì)速度計(jì)算得到，多普勒效應(yīng)的訂正滿足以下公式：

其中，fd表示多普勒頻移，c是光速，f是原始太陽(yáng)輻照度的頻率。Vrel是衛(wèi)星和太陽(yáng)的相對(duì)速度，當(dāng)Vrel為正時(shí)，表示兩者相互靠近。圖4～6 為O2A 帶、WCO2帶和SCO2帶在對(duì)日觀測(cè)時(shí)多普勒頻移量的長(zhǎng)時(shí)間變化序列圖。太陽(yáng)定標(biāo)時(shí)的Vrel大約為7 km s-1，對(duì)O2A 帶而言，多普勒效應(yīng)引起的波長(zhǎng)漂移約為1/2 光譜分辨率。圖中的多普勒頻移量的個(gè)別離群值是由于星上計(jì)時(shí)誤差造成相對(duì)速度計(jì)算異常導(dǎo)致的。完成多普勒效應(yīng)訂正后，觀測(cè)光譜合并成一個(gè)過(guò)采樣的太陽(yáng)光譜，通過(guò)選定的吸收線位置，對(duì)儀器效應(yīng)引起的波長(zhǎng)偏移進(jìn)行訂正。

圖4 O2A 帶2017 年多普勒頻移的時(shí)間序列Fig. 4 Time series of the Doppler shifts in the O2A band in 2017

圖5 WCO2 帶2017 年多普勒頻移的時(shí)間序列Fig. 5 Time series of the Doppler shifts in the WCO2 band in 2017

圖6 SCO2 帶2017 年多普勒頻移的時(shí)間序列Fig. 6 Time series of the Doppler shifts in the SCO2 band in 2017

圖7 給出了光譜定標(biāo)的具體流程。ACGS 對(duì)日觀測(cè)時(shí)間約5 分鐘，共可獲得1457 幀數(shù)據(jù)，選擇其中觀測(cè)穩(wěn)定的100 幀輻射光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行多普勒頻移訂正，將這些訂正好的光譜合并成一個(gè)過(guò)采樣的太陽(yáng)觀測(cè)光譜，根據(jù)選擇的參考光譜位置，提取對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線的觀測(cè)值，進(jìn)一步采用高斯擬合尋峰確定出中心位置，與Kurucz 參考光譜進(jìn)行比較，得到觀測(cè)光譜的波長(zhǎng)偏移量。

圖7 光譜定標(biāo)算法流程Fig. 7 Flow chart of the spectral calibration algorithm

3 定標(biāo)結(jié)果

基于上述吸收線選擇標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)O2A、WCO2和SCO2譜段分別選擇了10、8 和8 條參考吸收線。圖3 給出了ACGS 三個(gè)譜段中，高光譜分辨率參考光譜和對(duì)應(yīng)的參考吸收線位置。這些吸收線比較均勻的分布在整個(gè)譜段。碳衛(wèi)星ACGS 在軌測(cè)試階段，基于選擇的基準(zhǔn)吸收線作為參考，完成了ACGS 的光譜定標(biāo)。這個(gè)方法也成功應(yīng)用于ACGS 的在軌監(jiān)測(cè)和原始數(shù)據(jù)到L1 輻射數(shù)據(jù)產(chǎn)品的處理中。

波長(zhǎng)偏移是基于多普勒訂正后的觀測(cè)光譜與參考夫瑯禾費(fèi)吸收線計(jì)算完成的。圖8～10 給出了2017 年基于太陽(yáng)觀測(cè)光譜計(jì)算的波長(zhǎng)偏移量的時(shí)間變化序列，圖中紅色虛線表示光譜定標(biāo)精度指標(biāo)范圍。對(duì)每個(gè)空間像元，O2A、WCO2和SCO2的平均波長(zhǎng)偏移量分別為-0.002 nm、-0.007 nm 和-0.008 nm。三個(gè)譜段的波長(zhǎng)偏移量存在一定的變化特征，不同空間像元的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，波長(zhǎng)變化范圍滿足光譜分辨率十分之一的精度需求。圖中顯示的每個(gè)空間像元間波長(zhǎng)偏移的系統(tǒng)偏差可能是由于光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器陣列（FPAs）之間存在微小的熱梯度，這種熱變化引起主要光學(xué)元件幾何特征可能發(fā)生輕微變化造成的。2017 年5 月24 日（DOY 144）的明顯變化是由于太陽(yáng)定標(biāo)觀測(cè)頻次從在軌測(cè)試期間的每天6～7 次變?yōu)槊刻? 次造成的。這種對(duì)日觀測(cè)次數(shù)的轉(zhuǎn)換對(duì)整個(gè)系統(tǒng)熱平衡有顯著影響。

圖8 O2A 帶9 個(gè)空間像元波長(zhǎng)偏移的時(shí)間序列Fig. 8 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the O2 A-band

圖9 WCO2 帶9 個(gè)空間像元波長(zhǎng)偏移的時(shí)間序列Fig. 9 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the WCO2 band

圖10 SCO2 帶9 個(gè)空間像元波長(zhǎng)偏移的時(shí)間序列Fig. 10 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the SCO2 band

根據(jù)上述方法，針對(duì)選定的基準(zhǔn)吸收線，統(tǒng)計(jì)分析了各波段和各空間像元的波長(zhǎng)偏移量。圖11～13 給出了2017 年觀測(cè)的太陽(yáng)光譜和參考夫瑯禾費(fèi)吸收線波長(zhǎng)偏移量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，SCO2譜段的統(tǒng)計(jì)偏差最大，其次是WCO2帶，O2A 帶的偏差最小。SCO2的偏差最大是因?yàn)檫@個(gè)波段的噪聲高于其他兩個(gè)波段，同時(shí)，溫度變化對(duì)SCO2波段的影響也顯著大于O2A 帶和WCO2帶。O2A帶采用的是硅探測(cè)器，兩個(gè)CO2譜段用的是碲鎘汞探測(cè)器，碲鎘汞探測(cè)器對(duì)微小的溫度變化敏感性更高。綜上所述，盡管O2A 帶、WCO2帶和SCO2帶的太陽(yáng)光譜能量比紫外、可見(jiàn)光波段的弱很多，采用獨(dú)立太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線的方法仍然可以評(píng)估ACGS 的波長(zhǎng)偏移量。

圖11 O2A 帶基準(zhǔn)吸收線位置波長(zhǎng)偏移量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 11 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the O2A band

圖12 WCO2 帶基準(zhǔn)吸收線位置波長(zhǎng)偏移量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 12 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the WCO2 band

圖13 SCO2 帶基準(zhǔn)吸收線位置波長(zhǎng)偏移量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 13 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the SCO2 band

4 結(jié)論

本研究采用獨(dú)立太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)吸收線的方法評(píng)估了TanSat ACGS 的在軌波長(zhǎng)變化。該方法不僅可以監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)穩(wěn)定性，還可以獲取數(shù)據(jù)處理中必須的光譜定標(biāo)精度先驗(yàn)信息。本文基于ACGS 通過(guò)漫反射板對(duì)日觀測(cè)獲得的太陽(yáng)光譜和選定的獨(dú)立夫瑯禾費(fèi)吸收線，分析得到了ACGS 在軌波長(zhǎng)偏移。高分辨率的太陽(yáng)光譜可以為選擇的吸收線提供準(zhǔn)確的位置，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。這種方法計(jì)算的偏移量表現(xiàn)出很好的一致性，波長(zhǎng)偏移量小于光譜分辨率的10%，滿足ACGS 的在軌光譜定標(biāo)需求。