大气环境监测卫星紫外高光谱大气成分探测仪技术发展及应用

司福祺，周海金，江 宇，叶擎昊，袁牧野，赵敏杰，钱园园

（1.中国科学院安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031；2.上海航天技术研究院，上海 201109；3.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

随着全球气候变化、大气污染问题的日益加剧，高光谱成像卫星遥感成为人类了解全球大气痕量气体分布和变化趋势的重要方式之一，在全球大气污染监测领域得到了广泛的应用［1-3］。欧空局和美国航空航天局发射的基于紫外可见波段的多个高光谱探测载荷已在卫星遥测领域取得众多的成就。目前，国外同类载荷包括SCIAMACHY、OMI、GOME-2、TROPOMI 等［4-9］，我国在2018 年5 月发射了高分五号卫星，其上搭载的大气痕量气体差分吸收光谱仪［10-13］，作为国内第一个紫外可见高光谱大气污染探测载荷，首次获取了痕量污染气体成分NO2、SO2、O3等的全球分布和变化［14-18］，弥补了国产卫星污染气体遥感能力的空白。“高分”五号的业务星高五02 星，其上搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪，在太原卫星发射中心于2021 年9 月发射成功。

大气环境监测卫星［19-20］，运行于705 km 的太阳同步轨道，于2022 年4 月发射升空，紫外高光谱大气成分探测仪（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）是大气环境监测卫星装载的5台遥感仪器之一。相比高分五号卫星搭载的首个痕量气体探测载荷，紫外高光谱大气成分探测仪空间分辨率能力提升1 倍，全球大气污染物监测能力进一步提升，更为有效地支撑大气污染防治、全球气候变化管理等用户需求。

1 紫外高光谱大气成分探测仪总体方案

紫外高光谱大气成分探测仪载荷通过探测全球大气的紫外到可见光谱，基于大气污染气体的吸收结构反演获取全球大气污染气体分布和变化。EMI 光谱覆盖240～710 nm，光谱分辨率优于0.6 nm，视场114°，空间分辨率24 km×13 km，运行在太阳同步轨道，以天底观测方式进行全球探测，通过面阵推扫工作方式获取高光谱、高空间分辨率的光谱信息，具备全球污染气体一天覆盖监测能力。紫外高光谱大气成分探测仪主要指标要求见表1。

表1 紫外高光谱大气成分探测仪主要性能要求Tab.1 Main property specifications of EMI

紫外高光谱大气成分探测仪组成框图如图1所示，主要包括温控箱、信息处理箱、光机头部。温控箱功能为完成载荷热控、CCD 控温等［21］，信息处理箱功能为遥控遥测、步进电机驱动、系统主控、二次电源供给等；光机头部功能为光电转换、光谱信息获取、4 通道CCD 数据打包、模数转换上传等。

图1 系统组成框图Fig.1 Block diagram of the EMI system

2 紫外高光谱大气成分探测仪技术发展

紫外高光谱大气成分探测仪探测目标是大气痕量气体，气体吸收信号远弱于地表目标，大气污染气体反演对载荷信噪比、光谱分辨率提出了较高的要求，如对于NO2气体，要求可见波段SNR≥1 300，光谱分辨率≤0.6 nm。同时，为满足一天全球覆盖，载荷设计视场需达到114°。相比上一代大气痕量气体探测载荷，紫外高光谱大气成分探测仪又进一步提高了空间分辨率，达到了24 km×13 km，可更好地反映区域污染物浓度分布细节。需进一步发展大幅宽高分辨超光谱成像技术以实现大视场、宽光谱范围、高光谱分辨率的指标要求。

载荷技术攻关的主要难点包括：1）工作波长范围宽。工作波段在240～710 nm，这在紫外及可见光谱探测波段中覆盖范围较宽。2）高能量利用率。要求载荷系统具有较高的光学透过率，以实现大气光谱的高信噪比探测。3）强集光能力。由于载荷光谱分辨率高，窄带宽到达探测器像元的能量弱，需要对前置光学望远镜、中继光学系统、光栅光谱仪等系统优化设计，增加载荷的集光能力。4）高的调制传递函数（MTF）。为了在紫外、弱的光照条件下实现地球大气较高的空间分辨能力［22］，需要载荷有足够高的MTF。

大幅宽高分辨超光谱成像技术分为2 部分：1）前置望远成像系统；2）光谱成像系统。载荷系统如图2 所示。载荷系统对地球大气进行探测，前置望远成像系统的主副镜将地球大气目标聚焦到视场光阑处进行成像，然后经中继光学系统、分色片分成4 个光谱通道，成像在光谱成像系统的入射狭缝上。4 个光谱通道为Offner 光谱仪结构，将入射狭缝的像进行色散，每个单色光成像到面阵CCD 探测像元上，通过选取光栅、探测器像元数等参数可以实现预期的光谱分辨率［23］。

图2 紫外高光谱大气成分探测仪光学系统Fig.2 Schematic diagram of the optical system of EMI

前置望远成像系统中的主镜、副镜引入了高次非球面镜，中继光学组件进一步提升光束聚焦质量，在光谱仪入射狭缝前取得了良好的像质，保证了后续光谱成像具备了良好的空间分辨能力。前置望远成像系统工作过程如图3 所示，具体为：天底方向的散射光通过光学系统的入瞳光栏后，入射到前置望远镜主镜上，经反射后，进入扰偏器实现退偏后，由前置望远镜的孔径光栏出射到前置望远镜副镜处，转折汇聚到视场光阑处。视场光阑处的光线发散后经中继系统形成聚焦光束，经过4 个分色片，形成4 个光谱通道：240～311、311～401、401～550、550～710 nmA，4 个通道光谱通过中继镜头成像到每个光谱仪入射狭缝上。

图3 紫外高光谱大气成分探测仪前置望远成像系统Fig.3 Schematic diagram of the front telescopic imaging system of EMI

紫外高光谱大气成分探测仪的光谱成像系统选择了Offner 构型。目前常见的成像光谱仪多是基于反射式或透射式平面光栅，准直和聚光系统往往比较复杂，光能量损耗增加，光谱方向分辨率较低，光谱像质不均匀。因此选择了基于凸面光栅的Offner结构，其在空间和光谱方向都有较好的分辨率，优势为：1）光谱畸变较小（小于一个像素的），光谱性能优；2）系统结构紧凑，广泛应用于空间遥感探测［10］。

紫外高光谱大气成分探测仪光谱成像系统如图4 所示，主要包括入射狭缝、凹面反射镜、凸面光栅、面阵CCD 等。首先从狭缝入射的光入射到凹面镜，然后由凹面镜反射到凸面光栅上，经凸面光栅分光后的光束再次入射到凹面镜上，再经凹面镜聚焦到光谱仪的面阵CCD 上［25］。

图4 光谱成像系统光路Fig.4 Schematical diagram of the spectral imaging system of EMI

紫外高光谱大气成分探测仪的分辨率设计结果见表2，4 通道光谱分辨率≤0.42 nm，穿轨空间分辨率≤17.1 km，远优于任务指标要求

表2 紫外高光谱大气成分探测仪设计结果参数Tab.2 Designed parameters of EMI

3 应用示例

紫外高光谱大气成分探测仪载荷入轨后取得了良好的应用效果。紫外高光谱大气成分探测仪获取的全球NO2柱浓度分布如图5 所示，日期为2022 年5 月22 日—6 月6 日，去除云污染数据后进行多天平均。显著高值区域包括中国东部区域、印度、中东地区等，与国外同类卫星的监测结果相比趋势一致。紫外高光谱大气成分探测仪与TROPOMI NO2柱浓度一致性比对结果如图6所示。

图5 DQ-1 卫星紫外高光谱大气成分探测仪观测NO2柱浓度全球分布（2022-5-22—2022-6-6）Fig.5 Global NO2 column concentration distribution from DQ-1 satellite EMI（2022-5-22-2022-6-6）

图6 紫外高光谱大气成分探测仪与TROPOMI NO2柱浓度一致性比对结果Fig.6 Comparison of NO2 column concentration results from EMI and TROPOMI

紫外高光谱大气成分探测仪获取的单日全球臭氧柱浓度分布如图7 所示，日期为2022-5-23。基于差分吸收光谱算法，获取臭氧斜柱浓度，随后基于辐射传输模型，最终反演得到臭氧整层柱浓度。载荷一天基本实现全球覆盖，清晰揭示了臭氧全球分布趋势。紫外高光谱大气成分探测仪与TROPOMI 的对比情况如图8 所示，两者具有很高一致性，平均相对误差小于2%，平均精度为98%。

图7 单日紫外高光谱大气成分探测仪观测O3柱浓度全球分布图（2022-5-23）Fig.7 Global O3 column concentration distribution from EMI in one day（2022-5-23）

图8 紫外高光谱大气成分探测仪与TROPOMI O3柱浓度一致性比对结果Fig.8 Comparison of NO2 column concentration results from EMI and TROPOMI

EMI 载荷在轨运行为我国重大会议、赛事、重点区域等的环境保障工作提供高时效的数据，并为环保、气象等用户的污染气体监测需求提供有力的支持。

4 结束语

大气环境监测卫星上搭载的紫外高光谱大气成分探测仪，作为我国新一代全球污染气体探测高光谱载荷，空间分辨率大幅提升，更为有效地支撑大气污染防治、全球气候变化管理等用户需求。我国陆续发射了高光谱观测卫星、大气环境监测卫星、高光谱综合观测卫星，目前已初步形成了全球关键痕量气体成分“三星组网”监测能力，实现每天3 次大气环境探测全球覆盖，更高的重访能力及空间分辨率可快速满足行业热点需求，为中国积极应对全球气候变化提供数据支撑。