碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨波长定标

毕研盟 王倩 ,2,3 杨忠东 刘成保 蔺超 田龙飞 张乃强 王雅澄

1 许健民气象卫星创新中心, 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 国家卫星气象中心, 北京100081

2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031

3 中国科学技术大学, 合肥 230026

4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033

5 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海201203

6 华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

探测全球大气CO2浓度的分布对了解碳源汇，改进对气候变化的认识都非常重要（Miller et al.,2007; Chatterjee et al., 2017; Schwandner et al.,2017）。中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat）在2016 年11 月21 日成功发射，运行在700 km 的太阳同步轨道上，轨道升交点地方时13:30。碳卫星探测的主要目标是区域到大陆尺度的大气CO2浓度分布，探测精度是1%（1～4 ppm）。碳卫星搭载的大气二氧化碳光栅光谱仪（ ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）是一个三谱段光栅光谱仪，探测波段为中心波长在0.76 μm 的O2吸收带（O2A）,1.61 μm 的弱CO2吸收带（WCO2） 和2.06 μm 的强CO2吸收带（SCO2）。ACGS 仪器的一次观测可以获取9 个空间像元的数据，数据采样率为3.4 Hz, 观测视场的空间分辨率为2 km（沿轨）× 3 km（跨轨），星下探测幅宽是20 km（Yang et al.,2020）。

ACGS 可以获取大气CO2浓度、气溶胶和云的信息。云会阻挡太阳辐射到达地面，遮挡云下大气CO2柱含量的探测，因此CO2的反演首先要进行云检测。O2A 带的观测光谱包含云量和地表气压信息。XCO2是CO2柱浓度和干空气柱浓度之比，称为气柱平均干空气质量混合比，可通过WCO2和SCO2波段的观测光谱和模拟光谱的迭代拟合得到（O’ Dell et al., 2012; Crisp et al., 2012）。在迭代过程中，若仪器效应和多普勒效应导致的观测和模拟光谱偏差较大，可能导致XCO2反演失败。因此，评估仪器效应引起的光谱变化对XCO2反演至关重要。

在轨光谱定标涉及到仪器线型（ILS, Instrument Line Shape）定标和波长定标两个方面。ILS 代表单个像元探测器对单色光的响应。Sun et al.（2017）针对OCO-2 仪器利用不同的分析函数拟合ILS，分析了仪器在轨的ILS 变化。对TanSat，由于ACGS 的ILS 的顶端和翼区存在一些不规则的结构特征，上述分析函数不能够完全表征ACGS 的ILS 特征（如图1 所示）。因此，本文假设ILS 在轨状态保持不变，仅研究仪器在轨运行期间相对于发射前的波长变化。不同于OCO-2 卫星的对日观测采用的漫透射板，碳卫星ACGS 的对日观测采用了漫反射板，因此对碳卫星ACGS，以上线型不变的假设是合理的。另外，碳卫星没有会引起翼区加宽的在轨去污染事件 （Crisp et al., 2017），因此，本文假设在轨ILS 不变，重点在于波长定标。

图1 实验室测定的（a）O2A 带、（b）WCO2 带和（c）SCO2 带星下像元的中心区域的仪器线型（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

在轨光谱定标通常是利用观测的太阳辐射光谱和参考太阳光谱拟合计算实现的（Chance, 1998;Liu et al., 2005, 2010; Munro et al., 2016; Sun et al.,2017）。相对于以往拟合全谱段太阳吸收线的方法，本研究利用独立的太阳夫琅禾费吸收线作为参考基准。这种方法的特点在于，利用ACGS 在北极附近通过漫反射板观测的太阳夫琅禾费吸收线的真实位置直接计算波长偏移量，避免了复杂的拟合匹配过程。但它的缺点是由于吸收线的位置可能受到辐射定标不确定性的影响，分析结果也轻微依赖于所选的基准吸收线。

本文的分析采用的是ACGS 最新版本的L1 级辐射数据。Yang et al.（2020）给出了TanSat 早期在轨测试结果，在前期工作基础上，我们对仪器暗背景定标、光谱定标偏差进行了订正，形成了新版本的一级辐射光谱数据；并进一步优化我们光谱定标算法，给出了从卫星发射入轨后一年的光谱定标结果。这一结果明显揭示了ACGS 波长对在轨状态的依赖，表现为在轨太阳定标观测模式次数变化后对光谱定标产生影响，随后仪器状态稳定后，O2A带波长偏差出现减小的趋势，两个CO2带保持稳定。

2 基于独立太阳吸收线的光谱定标方法

碳卫星ACGS 通过漫反射板进行对日观测，如果直接观测太阳，仪器会饱和。漫反射板的作用是减弱辐射强度，不会改变ILS 线型特征。 在2017 年2～7 月的在轨测试阶段，ACGS 在北极附近会进行每两轨一次的对日观测，每天可以获取6～7 次的对日观测数据。在轨测试后，ACGS 对日观测的频率降低为每天1 次。对日观测是在完成科学观测后，进入阴影区之前进行的，共10 分钟的时间，包括3 分钟的指向准备，5 分钟的对日观测和2 分钟的太阳掩星观测。中间5 分钟的对日观测可以得到一千多帧的太阳光谱数据。太阳光谱经过多普勒效应修正后，合并成一个过采样光谱，用于进行光谱定标精度的评估。

ACGS 采用二维探测器对每个谱段的辐射数据采样，探测器的一维是空间维，一维是光谱维。O2A 带有1242 个光谱像元，两个CO2谱段的光谱维像元数均为500。为保证光谱采样率大于2，同时保持较高的信噪比水平，WCO2和SCO2谱段的光谱分辨率分别设置为0.14 nm 和0.18 nm，这一光谱分辨率均低于美国OCO-2 的光谱参数设置，O2A 带保持与OCO-2 相等的水平 （Frankenberg et al., 2015; Crisp et al., 2017）。表1 给出了碳卫星ACGS 的详细光谱参数。

ACGS 每个像元的ILS 和波长都是发射前由可调谐激光器测定的（Yang et al., 2018）。 图1 是星下像元每个谱段三个中间像元的ILS 线型。每个像元的波长λp由5 次多项式计算得到：

其中，p表示像元序号，对应探测器的第一个像元到最后一个像元。每个探测器的像元总数如表1 所示。c是色散系数，是实验室光谱定标测得的，每个空间像元和波长均有各自对应的系数。图2 给出了三个谱段，第五个空间像元，波长与光谱像元的函数关系。5 次多项式拟合的精度足够满足ACGS的1/10 光谱分辨率的光谱定标精度需求。

图2 星下像元（a）O2A 带、（b）WCO2 带和（c）SCO2 带波长及像元序号的对应关系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 主要光谱参数Table 1 Spectral parameters of the TanSat ACGS instrument

本研究采用高分辨率的Kurucz 太阳光谱作为参考光谱 （Fontenla et al., 1999; Chance and Kurucz,2010），最早为日本GOSAT 卫星研发，它可以满足TanSat 高光谱CO2探测仪光谱定标的需求。Kurucz 太阳光谱的采样分辨率为0.001 nm, 数据可以从网站获取(http://Kurucz.harvard.edu/sun [2020-02-10])。 ACGS 的太阳观测光谱可以清晰分辨出太阳外层大气元素吸收形成的太阳夫琅禾费吸收线。Kurucz 太阳光谱的光谱分辨率比ACGS 高一个量级，因此，Kurucz 太阳光谱可以作为ACGS 在轨光谱定标的参考光谱。

图3 给出了对应于ACGS 三个谱段的Kurucz太阳光谱和用于ACGS 光谱定标的参考吸收线位置（红色叉号所示）。基于理论太阳光谱的光谱定标方法，首先需要选择合适的吸收线中心位置作为参考标准。为了能够清晰从光谱中分辨出来，基准吸收线需要独立可分辨，并且具有一定的吸收强度。仪器在轨运行后的波长漂移是由仪器在轨运行时的仪器效应和多普勒效应造成的。多普勒效应可以通过卫星和太阳的相对速度计算得到，多普勒效应的订正满足以下公式：

其中，fd表示多普勒频移，c是光速，f是原始太阳辐照度的频率。Vrel是卫星和太阳的相对速度，当Vrel为正时，表示两者相互靠近。图4～6 为O2A 带、WCO2带和SCO2带在对日观测时多普勒频移量的长时间变化序列图。太阳定标时的Vrel大约为7 km s-1，对O2A 带而言，多普勒效应引起的波长漂移约为1/2 光谱分辨率。图中的多普勒频移量的个别离群值是由于星上计时误差造成相对速度计算异常导致的。完成多普勒效应订正后，观测光谱合并成一个过采样的太阳光谱，通过选定的吸收线位置，对仪器效应引起的波长偏移进行订正。

图4 O2A 带2017 年多普勒频移的时间序列Fig. 4 Time series of the Doppler shifts in the O2A band in 2017

图5 WCO2 带2017 年多普勒频移的时间序列Fig. 5 Time series of the Doppler shifts in the WCO2 band in 2017

图6 SCO2 带2017 年多普勒频移的时间序列Fig. 6 Time series of the Doppler shifts in the SCO2 band in 2017

图7 给出了光谱定标的具体流程。ACGS 对日观测时间约5 分钟，共可获得1457 帧数据，选择其中观测稳定的100 帧辐射光谱数据，进行多普勒频移订正，将这些订正好的光谱合并成一个过采样的太阳观测光谱，根据选择的参考光谱位置，提取对应的太阳夫琅禾费吸收线的观测值，进一步采用高斯拟合寻峰确定出中心位置，与Kurucz 参考光谱进行比较，得到观测光谱的波长偏移量。

图7 光谱定标算法流程Fig. 7 Flow chart of the spectral calibration algorithm

3 定标结果

基于上述吸收线选择标准，对O2A、WCO2和SCO2谱段分别选择了10、8 和8 条参考吸收线。图3 给出了ACGS 三个谱段中，高光谱分辨率参考光谱和对应的参考吸收线位置。这些吸收线比较均匀的分布在整个谱段。碳卫星ACGS 在轨测试阶段，基于选择的基准吸收线作为参考，完成了ACGS 的光谱定标。这个方法也成功应用于ACGS 的在轨监测和原始数据到L1 辐射数据产品的处理中。

波长偏移是基于多普勒订正后的观测光谱与参考夫琅禾费吸收线计算完成的。图8～10 给出了2017 年基于太阳观测光谱计算的波长偏移量的时间变化序列，图中红色虚线表示光谱定标精度指标范围。对每个空间像元，O2A、WCO2和SCO2的平均波长偏移量分别为-0.002 nm、-0.007 nm 和-0.008 nm。三个谱段的波长偏移量存在一定的变化特征，不同空间像元的变化趋势具有较好的一致性，波长变化范围满足光谱分辨率十分之一的精度需求。图中显示的每个空间像元间波长偏移的系统偏差可能是由于光学系统和探测器阵列（FPAs）之间存在微小的热梯度，这种热变化引起主要光学元件几何特征可能发生轻微变化造成的。2017 年5 月24 日（DOY 144）的明显变化是由于太阳定标观测频次从在轨测试期间的每天6～7 次变为每天1 次造成的。这种对日观测次数的转换对整个系统热平衡有显著影响。

图8 O2A 带9 个空间像元波长偏移的时间序列Fig. 8 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the O2 A-band

图9 WCO2 带9 个空间像元波长偏移的时间序列Fig. 9 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the WCO2 band

图10 SCO2 带9 个空间像元波长偏移的时间序列Fig. 10 Time series of the wavelength shift for nine spatial FOVs in the SCO2 band

根据上述方法，针对选定的基准吸收线，统计分析了各波段和各空间像元的波长偏移量。图11～13 给出了2017 年观测的太阳光谱和参考夫琅禾费吸收线波长偏移量的统计结果。由图可见，SCO2谱段的统计偏差最大，其次是WCO2带，O2A 带的偏差最小。SCO2的偏差最大是因为这个波段的噪声高于其他两个波段，同时，温度变化对SCO2波段的影响也显著大于O2A 带和WCO2带。O2A带采用的是硅探测器，两个CO2谱段用的是碲镉汞探测器，碲镉汞探测器对微小的温度变化敏感性更高。综上所述，尽管O2A 带、WCO2带和SCO2带的太阳光谱能量比紫外、可见光波段的弱很多，采用独立太阳夫琅禾费吸收线的方法仍然可以评估ACGS 的波长偏移量。

图11 O2A 带基准吸收线位置波长偏移量统计结果Fig. 11 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the O2A band

图12 WCO2 带基准吸收线位置波长偏移量统计结果Fig. 12 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the WCO2 band

图13 SCO2 带基准吸收线位置波长偏移量统计结果Fig. 13 Statistics of the wavelength shift at the locations of the selected Fraunhofer lines in the SCO2 band

4 结论

本研究采用独立太阳夫琅禾费吸收线的方法评估了TanSat ACGS 的在轨波长变化。该方法不仅可以监测波长稳定性，还可以获取数据处理中必须的光谱定标精度先验信息。本文基于ACGS 通过漫反射板对日观测获得的太阳光谱和选定的独立夫琅禾费吸收线，分析得到了ACGS 在轨波长偏移。高分辨率的太阳光谱可以为选择的吸收线提供准确的位置，作为参考标准。这种方法计算的偏移量表现出很好的一致性，波长偏移量小于光谱分辨率的10%，满足ACGS 的在轨光谱定标需求。