星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷

熊伟



星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷

熊伟1,2

（1 中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥 230031）（2 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验，合肥 230031）

“高分五号”卫星是中国高分重大专项中第一颗高光谱分辨率卫星，共搭载有六台有效载荷，其中大气主要温室气体监测仪是实现CO2、CH4等温室气体探测的超光谱专用载荷。该载荷采用新型空间外差光谱技术原理，具有无运动部件分光、超光谱、光通量大等技术特色，是国际上首次实现基于该技术体制研制的温室气体载荷，且完全依托中国现有基础进行自主研制。文章主要介绍了大气主要温室气体监测仪探测原理及方案、在轨工作模式设计，研制过程中突破的一体化干涉仪胶合、星上定标、海洋耀斑观测等多项关键技术。阐述了载荷地面定标及性能验证等工作，对定标及测试数据进行了分析，结果表明该载荷性能已到达了国际同类载荷的先进水平。文章最后还对温室气体后续探测载荷发展提出了一些具体建议。

温室气体 空间外差光谱技术 超光谱 外差干涉仪 “高分五号”卫星

0 引言

“高分五号”（GF-5）卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗高光谱遥感卫星，主要面向国家污染减排、环境监管、大气成分与气候变化监测、国土资源调查等重大需求，开展污染气体、温室气体、区域环境空气品质、水环境和生态环境、地矿资源调查等遥感监测[1]。GF-5卫星装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共六台有效载荷。中国科学院安徽光学精密机械研究所负责其中大气主要温室气体监测仪GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）有效载荷的研制任务。

GMI运行在轨道高度为705km的太阳同步轨道上，采用天底和耀斑观测模式，获取周期性探测数据，并具备在轨定标功能。载荷的主要任务是以大气中主要的温室气体CO2、CH4为探测对象（O2为辅助探测通道），通过获取的各气体的超分辨吸收光谱信息，反演大尺度范围上的大气主要温室气体柱浓度含量数据，从而为“源”与“汇”分析、污染减排和环境外交服务。

GMI是我国首台实现基于空间外差光谱（SHS）技术原理的星载超光谱大气探测载荷，也是国际上首次将该技术应用于温室气体探测，最高光谱分辨率达到0.035nm，且载荷克服了传统超光谱分光的不足，如光栅分光对大面阵刻划光栅的依赖；FTS分光对动静精密控制的工程限制等。

本文主要了分析GMI载荷的探测原理、技术方案、单机组成以及工作模式，以及研制过程中突破的多项核心关键技术，最后对载荷的地面定标及测试情况进行了介绍，表明该载荷性能水平已达到了国际同类载荷的先进水平，为下一步温室气体反演及产品应用奠定了基础。

1 载荷温室气体探测原理

由于温室气体在大气中含量相对较少（如CO2约390ppm）[2-4]且变化幅度不大（由季节性的光合作用变化引起的CO2浓度波动从北半球的约12 ppm –22ppm，向南半球递减到1 ppm –2ppm），而根据参考文献[2]的研究结论，天基观测要想超过现有的观测网络，至少要在8°×10°的格网上达到2.5ppm的月平均精度。这就对观测仪器提出了很高的要求，根据相关研究[5]，要使反演结果达到如此高的精度，必须采用超高光谱分辨率的观测设备。

大气主要温室气体的高精度探测对探测仪器的光谱分辨率、谱段、空间分辨率以及信噪比、稳定性等技术指标均有一定的要求，而这些要求均是相互制约的。美国OCO-2和日本GOSAT温室卫星分别采用光栅分光方案和傅里叶干涉方案，而目前正在快速发展的空间外差技术也是一种可以获取高光谱分辨率的技术，这三种方案都在满足技术指标需求的基础上分别具有各自的技术特点[6-10]，如表1所示：

表1 超光谱分光技术方案特点对比

Tab.1 Comparison of the characteristics of hyperspectral Spectroscopy

空间外差光谱技术原理如图1所示，该技术采用衍射光栅代替传统迈克尔逊干涉仪中的平面镜，入射光源经准直镜头后转化为具有一定视场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两束相干光束，经两臂光栅衍射后光束再次返回至分束器并发生干涉，干涉条纹经成像镜头比例缩放后由探测器接收。空间外差光谱技术通过频率外差的调制方式，利用光栅衍射方程和空间调制原理，可在相对较窄的光谱范围内获得极高的光谱分辨率，与传统干涉测量从零频起始相比，具有任意波段选频和易于满足采样定理要求的特点[11-14]。

图1 空间外差光谱仪原理

GMI采用空间外差光谱技术原理进行载荷研制，利用大气的吸收特性，探测各温室气体吸收波段内的光谱信息（由干涉图复原光谱后得到），经光谱/辐射定标后得到光谱辐亮度值，其值的大小跟吸收气体的浓度信息相关，可以反演出温室气体在大气中的含量。GMI载荷在轨观测数据经地面数据系统处理后可获取的各级产品及功能为：

1）采用空间外差干涉仪进行超光谱分光，在轨探测O2（760nm）、CO2（1 575nm、2 050nm）、CH4（1 640nm）四个光谱通道的干涉图数据，得到0级数据产品；

2）通过对干涉图进行误差修正、傅里叶变换等数据预处理获得目标气体超分辨吸收光谱，并加载光谱及辐射定标系数，得到载荷的1级数据产品（辐亮度光谱）；

3）利用物理模型对1级产品进行定量反演，获取气体柱浓度数据（2级产品），并进行月平均计算，得到全球温室气体浓度分布（3级产品）；

4）将3级产品提供给相关用户，从而实现相应的温室气体“源”与“汇”分析，并开展气候等方面的科学研究。

GMI在轨工作原理如图2所示。

2 载荷技术方案及单机组成

大气主要温室气体监测仪主体光学系统依据功能在组成上分为五部分（如图3所示）：

图2 大气主要温室气体监测仪探测系统流程图

图3 大气主要温室气体监测仪总体光学布局

1）望远系统。满足系统地面分辨率指标（视场角）、系统信噪比的要求（口径），并提供来自目标的平行光束。

2）分色组件。将不同波段的光谱输入至各通道准直中继系统内。

3）准直中继系统。将一体化胶合干涉仪压缩在适当的尺寸和质量范围，将望远出瞳出射的平行光准直为满足干涉仪要求的有效通光口径和视场角的平行光，且出瞳在光栅面上。

4）空间外差干涉仪。由分束器、隔片、扩视场棱镜、光栅等十个光学元件胶合而成。

5）成像系统。要求具备特定的缩放比，将干涉条纹成像在焦平面上。

根据GMI的各项技术指标要求，共分为四个单机：①光机头部（GP601）位于有效载荷舱，是仪器的信息获取单元，光机头部包含仪器的光学系统、定标系统、二维指向系统以及四路光谱仪的电子学系统；②信息处理器（GP602）是仪器的主要控制单元，它用于实现仪器的工作模式与状态管理；③驱动控制器箱（GP603）用于实现二维指向镜的驱动和控制；④温控箱（GP604）用于实现仪器光机头部关键部位的温度闭环控制，并收集其温度信息。系统单机组成框图如图4所示：

图4 大气主要温室气体监测仪单机组成框

GMI依据在轨探测要求，载荷共设计有三种工作模式：观测模式、定标模式和待机模式。根据地表情况，观测模式分为陆地模式和海洋模式，其中陆地模式采用天底观测方式（利用二维指向机构进行穿轨方向摆扫取点观测，沿轨实时补偿），海洋模式采用耀斑观测方式（利用二维指向机构进行实时跟踪耀斑）。定标模式主要利用载荷自带的定标装置开展周期性星上光谱及辐射定标。载荷处于非光照区时，进行待机模式。

3 关键技术突破情况

GMI是我国首台基于SHS新体制原理的星载超光谱遥感探测仪器，面临多项技术、工艺、实验等方面问题需攻克，这里重点介绍载荷研制过程突破的三项代表性的关键技术。

3.1 一体化集成星载外差干涉仪技术

外差干涉仪单元是GMI的载荷的核心部件，决定了仪器的光谱分辨能力、光谱范围等性能指标，由分束器、光栅、扩视场棱镜等组成。在空间环境应用中，干涉仪要受到冲击、振动、温度梯度变化以及辐照等诸多因素的影响，需要干涉仪具有较高的稳定性；此外在载荷研制过程中，干涉仪由于部件多，需减少装调结构复杂程度。为解决上述问题，将外差干涉仪多部件进行一体化集成设计，将干涉仪设计成十部件，采用专用光胶及自研的胶合调整设备进行一体化组合，减少了大量的固定调整机构及干涉仪的体积和质量，并且整个干涉仪是一个整体，一旦胶合完成，就无需再进行光路调整，也大大提高了系统的可靠性。一体化集成外差干涉仪胶合示意图和实物图如图5所示。

图5 一体化集成外差干涉仪（左图：干涉仪胶合示意；右图：干涉仪实物）

一体化集成外差干涉仪对应力敏感，要求无应力安装，同时要求安装结构应当具备较高的刚度，连接结构具有较强的抗振性。此外，结构设计需要保证光学基准到结构基准的转移。因此，设计了一体化的安装基座，利用工装将一体化干涉仪单元固定后，在其四周包括压片的底面上均灌入硅胶，形成缓冲层，并在安装过程中全程采用Zygo干涉仪检测安装应力和固化应力。

3.2 星上实时海洋耀斑跟踪观测技术

温室气体反演的工作波段决定其在陆地和海洋工作方式的不一致性。近红外是进行温室气体探测和反演的光谱波段，与陆地表面漫反射方式的不同，海洋水体在这一波段除镜面反射外无离水辐射，若采用陆地的垂直或任意角度观测方式，由于无法获取有效下垫面辐射信号，而使得海洋上方温室气体无法反演。针对海洋条件的下垫面这一反射特性，设计了实时测量水体镜面反射工作模式，即海洋耀斑观测。

耀斑跟踪主要根据卫星平台实时提供的轨道参数、卫星姿态以及时间来计算太阳、卫星的矢量夹角，然后采用二分法计算地心惯性坐标系下的耀斑矢量，将其转换到卫星本体坐标系后计算二维指向镜指向耀斑观测角度，然后控制二维指向镜指向耀斑观测点（如图6所示）。地面利用STK相关数据对耀斑跟踪模式进行了验证，精度满足0.05°。

图6 海洋耀斑实时跟踪计算流程

3.3 全视场、全孔径星上超光谱定标技术

对于高精度的大气温室气体反演，不仅需要载荷具有高的信噪比和光谱分辨率，高精度的遥感器定标也同样不可或缺。GMI星上定标方案采用高稳定度的太阳光作为定标光源。通过太阳照明定标器建立空间级大面积辐射标准源，在载荷光路的最前端充满其观测孔径和视场，实现端到端的全光路定标。载荷在进行星上定标时，二维扫描机构从天底观测指向调整角度对准星上定标系统，从而将定标光源太阳光导入载荷望远镜开始进行定标模式数据采集，为监视漫反射衰变及测量仪器本底，分别设计了比辐射计和光陷阱装置。如图7所示。

图7 GMI星上定标装置示意

GMI星上定标包括光谱定标与辐射定标，两者均采用同一星上定标装置，定标时间都选取在卫星过南极区域附近。对于辐射定标而言，定标时间选取需满足阳光能够入射到定标装置，且阳光未受大气吸收影响。光谱定标时间选取满足阳光能够入射到定标装置，且阳光切过大气层高度范围为10~100km。

4 载荷光谱定标及吸收光谱测试

对于星载温室气体探测而言，载荷的光谱分辨率和信噪比是两项最为核心的指标，影响到气体柱浓度反演精度水平。此外，在载荷发射之前，需模拟气体吸收环境，利用载荷进行实测数据获取，能够综合反演仪器的探测能力。GMI在研制过程中，针对仪器技术特点，分别利用本单位研制的超光谱扫描定标装置以及大气环境模拟定标仓等专用设备开展了光谱定标以及吸收光谱测试等实验。

4.1 光谱定标

大气主要温室气体监测仪载荷光谱定标采用超光谱扫描定标方案[15-16]：三台激光器发出的单色光分别经起偏、功率稳定、空间滤波后导入到积分球中，经积分球输出单色、可调谐、高亮度、均匀的辐亮度光源（如图8所示）；分别在仪器波段范围调谐不同输出单色光，获取对应的干涉数据，完成光谱定标。该定标方法具备波长调谐精度高（1pm）、波长输出绝对精度高（pm级）、光谱线宽窄（MHZ级）、功率输出稳定等特点，能够满足大气主要温室气体监测仪超光谱定标精度要求。

通过入射不同波长的单色光采集不同频率干涉图，建立干涉条纹频率f（光谱点）与入射光波数（cm–1）之间（纵坐标）对应关系，从而计算各光谱点对应波数（cm–1）值，完成波长定标系数的获取。图9为GMI的1 575nm（CO2弱吸收带）通道不同波长单色光扫描结果，拟合后光谱定标方程为：

= –0.011 0+6 390.733

图8 GMI超光谱定标示意

图9 1 575nm通道光谱扫描结果

由于单色光带宽可忽略，经载荷探测并光谱复原后的结果近似Sinc函数，即以极大值为中心呈振荡衰减，逐渐趋于零。将上述各单色光光谱归一化后，极大值移到同一点，此时单色光光谱即为仪器线型函数（ILS），采用光谱半峰全宽（FWHM）值为仪器的光谱分辨率，如图10所示。结果表明仪器光谱范围内各波数均满足光谱分辨率均小于0.27cm–1，并且在光谱范围内具有较好的一致性。

图10 1 575nm光谱通道仪器线型函数结果

4.2 载荷吸收光谱测试

为进行地面吸收光谱测试，研制了大气环境模拟定标仓装置[17-18]，包括：积分球辐射源（充氮处理，剔除了空气中O2、CO2、H2O的干扰）、5m长光程吸收池，温度控制单元、配气单元等。该装置配气精度优于2%，温度控制精度优于0.5°。基于大气模拟定标仓的吸收光谱测试实验示意如图11所示：首先利用抽气设备把大气环境模拟定标仓抽取到高真空状态，进行背景光谱测量；然后利用配气设备进行温室气体标准浓度的配比，并利用温度控制设备进行温度控制，待温、压等参数稳定后，载荷进行吸收光谱的测量，根据目标光谱与背景光谱获取实测透过率光谱。

图11 大气环境模拟定标仓实验示意

根据朗伯-比尔定律，辐射能量经过大气吸收后的理论透过率计算公式为：

式中为大气吸收截面；为大气浓度；为大气吸收程长。

大气吸收截面的计算条件为载荷测量实际透过率时吸收池状态，根据Hitran数据库计算各通道吸收截面。根据理想气体状态方程、目标气体压强、气体实际温度为，计算目标气体浓度。将计算出的透过率光谱与相应通道的仪器线型函数进行卷积，得到各通道理论透过率。图12为GMI的1 575nm（CO2弱吸收带）通道实测吸收光谱与理论光谱的结果对比图。

对理论透过率光谱和实测透过率光谱的主要吸收峰位置偏差进行统计，结果如图13所示。吸收峰位置最大偏差<0.03cm–1，平均偏差为达到0.008 3cm–1，测试结果表明GMI测量透过率光谱与理论透过率光谱一致性较好，吸收峰深度吻合、吸收峰位置对应准确。

图12 1 575nm（CO2）通道理论光谱和实测光谱结果

图13 1 575nm（CO2）通道理论光谱和实测光谱吸收峰位置偏差统计

5 结束语

我国温室气体星载探测已实现了从无到有的质突破，必将会在大气环境、气候研究等方面发挥重大作用。但随着下一代温室气体探测新的需求，如实现对重点工业区（点源目标）的探测、同一目标探测时间间隔小于1天、能够满足碳排放清单的制作需求等方面，对温室气体载荷提出了更高的要求。从当前的应用需求和技术发展来看，未来CO2、CH4及其他温室气体探测技术的发展主要向以下几个方面发展趋势：

1）高光谱分辨率，提高探测精度；

2）高空间分辨率，地面分辨率达到2km×2 km；

3）宽覆盖范围，覆盖宽度在1 000km以上；

4）高信噪比，提高反演精度，满足1%变化量的探测灵敏度；

5）对流层及中间层数据同步获取，提高廓线水平；

6）短覆盖周期，监视温室气体短期内的变化情况，可利用卫星星座技术。

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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

熊伟，1975年生，博士，研究员，大气主要温室气体监测仪载荷主任设计师，主要从事超光谱遥感探测技术研究。E-mail：frank@aiofm.ac.cn。

2018-04-05

国家高分重大科技专项

（编辑：刘颖）