大气痕量气体遥感探测仪发展现状和趋势

赵其昌，杨 勇，李叶飞，董长哲

(上海卫星工程研究所，上海200240)

1 引言

大气痕量气体是指大气中浓度低于10－6的微量气体，如 CH4、CO、O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO、SO2、卤化物、有机化合物等。它们中有些是天然排放的，但近年来受人类活动的影响，这些痕量颗粒受到各种物理、化学、生物过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气环境、生态及气候产生了重大的影响，如化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等均与痕量气体有关。

气候变化已成为当今国际社会普遍关心的全球性问题，对全球气候变化的监测与分析不仅是一个涉及国民健康、经济社会可持续发展的科学和技术问题，而且已经成为一个涉及到国家安全和国际环境外交的政治问题、经济问题。因此，大气痕量气体的在轨遥感探测已成为当前大气遥感中的一个重要领域和发展方向。

利用遥感仪器对大气痕量气体(CH4、CO、O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO 和 SO2)的分布和变化进行探测，可以定量获得区域及全球空气质量变化以及污染气体和气溶胶的分布输运过程，监测工业排放和生物燃烧对大气组成成分、全球气候变化的影响，并最终服务于建立区域和全球范围的大气成分监测与预警技术体系［1-2］。

2 国外的痕量气体遥感探测仪器

遥感是实现全球和区域大气痕量气体监测最有效的方法和技术，世界上主要遥感大国都对CO、CH4、O3等痕量气体进行了天基监测并提出了监测发展规划，其中，欧洲、日本、美国的研发项目具有较大的影响力。

2.1 SCIAMACHY

大气制图扫描成像吸收光谱仪(The Scanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric Chartography，SCIAMACHY)［3-5］搭载于欧州航空局2002年3月成功发射的一颗欧洲环境卫星ENVISAT上，是8通道光栅式光谱仪，用于研究同温层臭氧损失和对流层空气质量。

SCIAMACHY由光机探测头部、辐射制冷器和电控箱3部分组成。为了实现240～2 380 nm宽波段的测量，SCIAMACHY采用双单色仪方案。经扫描镜和望远镜聚焦于谱仪入射狭缝处的光辐射首先被色散棱镜分成8个波段，每个通道中的光栅进一步将光辐射色散形成高分辨率光谱(0.2～0.5 nm)并聚焦于1 024 pixel的线阵探测器上，见图1。在紫外到可见区(240～1 050 nm)使用Si线阵列探测器，近红外区使用InGaAs线阵列探测器。这些探测器通过热总线装置(TBU)与辐射制冷器连接被冷却至150～235 K。前置色散棱镜同时也作为Brewster窗分离一部分偏振光送入偏振测量装置(PMD)，其输出用于矫正偏振误差。狭缝反射光辐射直接进入太阳跟随器，它在掩日、掩月测量时控制扫描镜，用于跟踪日、月。每个光谱通道都配有一个探测器电子学模块(DME)，DME控制相关探测器读出信号、放大模拟信号并执行AD变换，每个通道的数字信号被送入科学数据处理单元(SDPU)。SDPU控制DME，获得、处理数据并将其送入S/C测量数据界面，系统控制单元从S/C获得命令自动控制整个系统操作并反馈遥感数据。表1给出了SCIAMACHY的主要技术参数。

图1 SCIAMACHY结构示意图［6］Fig.1 Structure diagram of SCIAMACHY

表1 SCIAMACHY主要技术指标Tab.1 Main technical indexes of SCIAMACHY

2.2 GOME

图2 GOME光路示意图Fig.2 Optical path diagram of GOME

全球臭氧监测试验装置(Global Ozone Monitoring Experiment，GOME)搭载于ERS2太阳同步轨道卫星，用于探测同温层和对流层大气中各种组分，如痕量气体、气溶胶和云的分布情况［7］。GOME的谱段为240～790 nm，光谱分辨率在240～400 nm 为0.2 nm，在400～790 nm 为 0.4 nm，空间分辨率为40 km×40 km，光路图如图2所示。GOME是扫描成像光谱仪，由扫描镜及其控制系统、光学系统、焦平面组件、偏振测量系统、定标组件和电子学处理电路组成。240～790 nm波段分成4个通道，其中240～405 nm的光被通道分离器(有反射和透射涂层的棱镜)分成240～295 nm和290～405 nm两个紫外通道;405～790 nm的光被一个双色反射镜分成405～605 nm和590～790 nm两个通道。每个通道都采用一个1 024 pixel的硅线阵探测器［8-9］。为了定量化科学应用，GOME设置了专门的定标系统，提供仪器在轨定标。定标系统从电子学处理电路接到命令后，打开定标光源和快门，进行定标。通过遥测数据可连续监测电流值、温度及快门的状态等。表2给出了GOME的主要技术参数。

表2 GOME主要技术指标Tab.2 Main technical indexes of GOME

2.3 OMI

美国和欧洲共同组织研制的新一代痕量气体监测仪—臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument，OMI)(见图3)，主要用来精确测量地球大气中O3总量及分布，研究大气中O3的变化趋势，同时可以获得云和气溶胶参量以及其他痕量气体含量及其分布［10-11］。

图3 OMI光路示意图Fig.3 Optical path diagram of OMI

OMI是一种气体成分探测仪，其通过测量地球大气和地球表面的后向散射辐射，利用331.2和317.5 nm处臭氧的强吸收峰进行臭氧总量的探测和反演。OMI的波长为270～500 nm，光谱分辨率达0.42 nm，空间分辨率为13 km×24 km，视场为114°，幅宽为2 600 km。所以，OMI比GOME和SCIAMACHY具有更高的空间分辨率，并且具有一天覆盖全球的优势，首次提供了每天的全球臭氧及其它污染物的测量结果。

OMI是一台高光谱成像仪，扫描方式为推扫，用于探测可见光和紫外波段太阳后向散射辐射。采用高光谱探测改进了臭氧测量精度，并且可以进行在轨的辐射和光谱定标。地球后向散射经扫描镜进入视场后，由宽视场望远镜将光信号分别引入两个光栅光谱仪，每个光谱仪使用各自的CCD探测器。星上定标系统包括白光源、发光二极管和漫射器。表3为OMI的主要技术指标。

表3 OMI主要技术指标Tab.3 Main technical indexes of OMI

3 国内的痕量气体遥感探测仪器

国内大气痕量气体遥感探测仪器的研制起步较晚，比较有代表性的是2009年入轨的紫外臭氧总量探测仪(TOU)和正在研制的大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)，其中TOU成功应用在O3监测方面并发挥了重要作用。

3.1 TOU

TOU用于大气臭氧总量全球分布定量测量，其通过测量地球大气对太阳紫外波段的后向散射来反演全球臭氧总量全球分布，为全球气候变化研究、气候预报和环境监测提供重要参数。

TOU为一个6通道分光光度计，光机头部由扫描镜及其控制系统、前光学部分、分色片、波长选择调制器、后光学部分、探测器组件、辐射定标装置、波长监测装置和电子学控制、处理系统组成，具有3种工作模式，即对地扫描模式、波长监测模式和辐射定标模式［12-13］。其光谱特性和技术指标见表4、表5。图4给出了其光路示意图。大气紫外后向散射辐射经扫描镜、前光学部分后进入分色片，经光栅分光后由波长选择调制系统将6个测量波段送给光电倍增管，光电倍增管的输出由前置放大器放大后，经过A/D转换，将模拟信号变为数字信号，最后由远置单元经发送给卫星并下传。

表4 TOU通道中心波长和带宽Tab.4 Center wavelength and bandwidth of TOU channels

表5 TOU主要性能指标Tab.5 Main technical indexes of TOU

图4 TOU光路示意图Fig.4 Optical path diagram of TOU

3.2 EMI

EMI用于监测气候和生态环境有重要影响的痕量气体(O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO 和 SO2)的分布和变化，仪器光谱为240～710 nm，采用4个光谱通道(240～315 nm、311～403 nm、401～550 nm、545～710 nm)，仪器在太阳同步轨道进行天底观测，刈幅宽度为2 600 km。仪器的主要指标见表6。

表6 EMI主要指标Tab.6 Main technical indexes of EMI

EMI由离轴三反望远镜、光路切换装置、漫反体切换装置、卤素灯、4台光谱仪、4片背照帧转移面阵CCD探测器及热电制冷模块组成。光路示意图如图5所示。

EMI采用推扫方式获取来自地球的入射辐射，入射辐射通过仪器前置光学系统会聚后进入中继光学系统，经中继光学的分色片分光并会聚后分别进入4个独立光谱仪，由光谱仪内的Offner光学组件完成色散后，传输至各光谱仪相应的面阵探测器完成空间和光谱信息记录，再经A/D、编码后传至数传。仪器在轨采用太阳光与标准灯实现光谱与辐射定标。

图5 EMI光路示意图Fig.5 Optical path diagram of EMI

4 痕量气体遥感探测仪器的发展趋势

为应对全球气候的变化，各国已越来越重视对全球和区域大气痕量气体的监测，而大气痕量气体探测对精度要求越来越高。如国内正在研制的大气痕量气体差分吸收光谱仪和紫外高光谱臭氧廓线探测仪的光谱分辨率要求为0.3 nm，灵敏度要求为mW量级，杂散光量级为10－4，其主要技术方案采用高效率的光栅光谱仪结合高性能的大规模探测器组件实现高精度的定量探测［14-15］。可见，为了满足大气痕量气体高精度、高灵敏度的探测需求，未来痕量气体遥感仪器应重点发展以下几个方面。

(1)提高光谱分辨率

为了细分痕量气体及其变化，必须增加探测通道，进而要求提高光谱分辨率。提高光谱分辨率的途径常采用光栅式或干涉式分光方式，但同时必须要保证信号能量。

(2)提高空间分辨率

为了满足地球化学探测的需求，要求遥感仪器的空间分辨率越来越高，例如:臭氧探测仪器由50 km提高到13 km。

(3)提高仪器的灵敏度和定标精度

为了准确反映所观测目标的真实情况，提高观测数据反演精度，痕量气体探测仪器需要提高仪器的灵敏度和定标精度。

(4)发展主动遥感

为了精确获取痕量气体的变化信息，遥感卫星需要配置一些主动遥感仪器，如激光雷达等。

5 结束语

大气痕量气体遥感观测技术可以经济、快速地获取宏观尺度上大气痕量气体的信息，相对于传统的监测站方式具有无可比拟的优势，欧美发达国家都相继开展了大气痕量气体遥感探测仪器的研究，以期掌握痕量气体循环的第一手资料。

为满足越来越高的应用需求，大气痕量气体遥感探测仪器经过了几十年的发展，其功能和性能指标不断提高。国内外已经在轨的痕量气体遥感探测仪器在气候变化研究中发挥了重要的作用，未来的遥感探测仪器的发展将在痕量气体监测方面产生更重要的影响。为具有更多的话语权，我国应该积极发展痕量气体遥感探测仪器，从而为区域和全球气候变化研究提供强有力的科技手段。

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