国产十余万谱段超光谱探测仪研制成功

范东栋（航天东方红卫星有限公司）

星载超光谱大气成分探测仪

□□随着全球人口增加，全球生态环境日益脆弱，全球气候正在经历明显的变化过程。气候变化已不仅仅是一个自然科学的前沿问题，还成为关系到社会经济可持续发展、军事与国家安全、环境外交等的政治问题。在美国五角大楼所作的《气候突变的情景及其对美国国家安全的意义》这一报告中指出：“未来20年全球气候变化对人类构成的威胁要胜过恐怖主义，人类的头号威胁即为气候问题。”气候问题的研究已成为各国政府和科学界关注的重点，也是我国政府和科技界关注的热点。

航天东方红卫星有限公司成立于2001年5月，已成功研制并发射了10余颗应用于不同领域的小卫星。面对当前全球气候环境问题，考虑到傅立叶变换光谱（FTS）技术的高通量、多通道、高光谱分辨率和宽光谱范围等优势，公司借助政府对该领域产业的大力支持，通过建立共赢的全球战略合作团队，共同推动FTS技术在中国航天遥感领域的应用。目前成功研制的星载超光谱大气成分探测仪将作为中国全球气候变化探测和温室气体探测应用中最重要的载荷之一，预计在2014年左右搭载发射。

1 仪器组成与基本原理

星载超光谱大气成分探测仪选用了与加拿大科学卫星－1（SCISAT－1）上的大气化学实验（ACE）仪器及地面样机仪器PARIS类似的FTS方案，采用太阳掩星探测模式，测量大气吸收光谱，充分利用太阳这一稳定强辐射光源，实现探测器的小型化设计和数据的长期稳定有效性。根据应用需求，探测仪在2.4～13.3μm光谱覆盖范围内达到0.028cm-1极限光谱分辨率（包含约16.5万个谱段），实现对大气对流层、平流层及中间层的微量、痕量气体的定量探测。该仪器由光机子系统、电控子系统、数据处理与分析子系统构成。其系统原理为：太阳光束被指向镜捕获后经由分色器分为可见和红外两部分，视场监测相机探测可见光束，用于动态调整指向镜角度以跟踪太阳；红外信号光依次经过主镜和次镜后，被分束器分成透射光和反射光，分别进入干涉仪的两臂，经过角镜和端镜反射后又分别回到分束器，形成干涉信号，干涉调制后的信号透过端镜中心的开孔由输出镜传递给探测器。

测量到的干涉信号经傅立叶变换、光谱和辐射定标后得到探测对象的光谱信息，然后通过进一步的反演算法可获得大气廓线分布数据。依据用户的不同应用需求，可以进行深入的数据挖掘。由于采用双角镜与端镜的组合设计，获得了光程差相对机械行程差的8倍放大，并使系统对光路元件的倾斜和剪切变形不敏感，保证了系统结构的紧凑性和性能的稳定性。另外，还配套开发了数据处理与分析软件，具有快速成像光谱计算、相位校正、光谱定标、信噪比评估、微窗口数据生成等功能。

仪器的核心干涉组件

星载超光谱大气成分探测仪数据处理与分析软件界面

仪器ILS曲线

2 仪器性能指标评价

星载超光谱大气成分探测仪于2008年1月研制完成，已对其各方面性能指标进行了全面测试与评价，其中信噪比和光谱分辨率是两个最重要的性能指标。

为了评价信噪比指标，技术人员将仪器放在室外对太阳目标进行观测，采集10组连续观测光谱数据进行分析，并将系统信噪比指标定义为光谱数据标准差与光谱数据平均值之商。通过测试分析显示，在大气窗口范围内，系统信噪比最高达到1000∶1，普遍优于100∶1。

星载超光谱大气成分探测仪测量获得的光谱等于理论光谱与仪器线型函数（ILS）的卷积。ILS是当一个单色光源均一地覆盖系统的视场时仪器的光谱测量结果。其半高宽即为仪器的光谱分辨率。在仪器的ILS测试中采用了1000K黑体辐射源，试验气体选用CO，其气压为66.6612Pa，温度为22.85℃，仪器的视场角设定为7.4mrad。仪器ILS曲线图中显示了ILS在770cm-1、2190cm-1和4100cm-1的半高宽。测试结果表明：星载超光谱大气成分探测仪满足设计目标，部分指标优于需求值，如光谱分辨率在全谱段均优于0.028cm-1。光谱分辨率随波数发生变化，长波谱段的光谱分辨率比短波谱段的高。

自2008年7月开始，星载超光谱大气成分探测仪地基配置型在北京奥运大气观测超级站开展了遥感观测，并加入了北京环保部门和中国科学院组织的大气观测计划，获取了大量观测数据，实现了对N2O、CO2、O3、CH4、CO、CFC－12等近10种气体成分的反演，相关的研究机构目前正在深入开展数据产品的后续分析应用研究。

仪器安装地点示意图

仪器主要技术指标

3 结语

针对中国全球气候变化探测和温室气体探测应用，航天东方红卫星有限公司研制了一种基于FTS的星载超光谱大气成分探测仪。该仪器通过测量太阳光吸收光谱实现大气成分的探测，具有结构紧凑、性能稳定、信噪比高和光谱分辨率高等特点，最终研发完成的仪器设备及相关数据处理与分析软件经过测试满足应用的指标需求。地基配置型仪器的户外试验验证了仪器完成大气成分探测的有效性和可靠性，试验数据显示其测量和反演结果与现有数据库精确吻合。试验结果表明，该仪器具有广泛应用于星载平台的潜力。