趙其昌，楊 勇，李葉飛，董長(zhǎng)哲

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240)

1 引言

大氣痕量氣體是指大氣中濃度低于10－6的微量氣體，如 CH4、CO、O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO、SO2、鹵化物、有機(jī)化合物等。它們中有些是天然排放的，但近年來(lái)受人類活動(dòng)的影響，這些痕量顆粒受到各種物理、化學(xué)、生物過(guò)程的作用并參與生物地球化學(xué)的循環(huán)，對(duì)全球大氣環(huán)境、生態(tài)及氣候產(chǎn)生了重大的影響，如化學(xué)煙霧、酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等均與痕量氣體有關(guān)。

氣候變化已成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)心的全球性問(wèn)題，對(duì)全球氣候變化的監(jiān)測(cè)與分析不僅是一個(gè)涉及國(guó)民健康、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，而且已經(jīng)成為一個(gè)涉及到國(guó)家安全和國(guó)際環(huán)境外交的政治問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此，大氣痕量氣體的在軌遙感探測(cè)已成為當(dāng)前大氣遙感中的一個(gè)重要領(lǐng)域和發(fā)展方向。

利用遙感儀器對(duì)大氣痕量氣體(CH4、CO、O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO 和 SO2)的分布和變化進(jìn)行探測(cè)，可以定量獲得區(qū)域及全球空氣質(zhì)量變化以及污染氣體和氣溶膠的分布輸運(yùn)過(guò)程，監(jiān)測(cè)工業(yè)排放和生物燃燒對(duì)大氣組成成分、全球氣候變化的影響，并最終服務(wù)于建立區(qū)域和全球范圍的大氣成分監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)體系［1-2］。

2 國(guó)外的痕量氣體遙感探測(cè)儀器

遙感是實(shí)現(xiàn)全球和區(qū)域大氣痕量氣體監(jiān)測(cè)最有效的方法和技術(shù)，世界上主要遙感大國(guó)都對(duì)CO、CH4、O3等痕量氣體進(jìn)行了天基監(jiān)測(cè)并提出了監(jiān)測(cè)發(fā)展規(guī)劃，其中，歐洲、日本、美國(guó)的研發(fā)項(xiàng)目具有較大的影響力。

2.1 SCIAMACHY

大氣制圖掃描成像吸收光譜儀(The Scanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric Chartography，SCIAMACHY)［3-5］搭載于歐州航空局2002年3月成功發(fā)射的一顆歐洲環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT上，是8通道光柵式光譜儀，用于研究同溫層臭氧損失和對(duì)流層空氣質(zhì)量。

SCIAMACHY由光機(jī)探測(cè)頭部、輻射制冷器和電控箱3部分組成。為了實(shí)現(xiàn)240～2 380 nm寬波段的測(cè)量，SCIAMACHY采用雙單色儀方案。經(jīng)掃描鏡和望遠(yuǎn)鏡聚焦于譜儀入射狹縫處的光輻射首先被色散棱鏡分成8個(gè)波段，每個(gè)通道中的光柵進(jìn)一步將光輻射色散形成高分辨率光譜(0.2～0.5 nm)并聚焦于1 024 pixel的線陣探測(cè)器上，見(jiàn)圖1。在紫外到可見(jiàn)區(qū)(240～1 050 nm)使用Si線陣列探測(cè)器，近紅外區(qū)使用InGaAs線陣列探測(cè)器。這些探測(cè)器通過(guò)熱總線裝置(TBU)與輻射制冷器連接被冷卻至150～235 K。前置色散棱鏡同時(shí)也作為Brewster窗分離一部分偏振光送入偏振測(cè)量裝置(PMD)，其輸出用于矯正偏振誤差。狹縫反射光輻射直接進(jìn)入太陽(yáng)跟隨器，它在掩日、掩月測(cè)量時(shí)控制掃描鏡，用于跟蹤日、月。每個(gè)光譜通道都配有一個(gè)探測(cè)器電子學(xué)模塊(DME)，DME控制相關(guān)探測(cè)器讀出信號(hào)、放大模擬信號(hào)并執(zhí)行AD變換，每個(gè)通道的數(shù)字信號(hào)被送入科學(xué)數(shù)據(jù)處理單元(SDPU)。SDPU控制DME，獲得、處理數(shù)據(jù)并將其送入S/C測(cè)量數(shù)據(jù)界面，系統(tǒng)控制單元從S/C獲得命令自動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)操作并反饋遙感數(shù)據(jù)。表1給出了SCIAMACHY的主要技術(shù)參數(shù)。

圖1 SCIAMACHY結(jié)構(gòu)示意圖［6］Fig.1 Structure diagram of SCIAMACHY

表1 SCIAMACHY主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of SCIAMACHY

2.2 GOME

圖2 GOME光路示意圖Fig.2 Optical path diagram of GOME

全球臭氧監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置(Global Ozone Monitoring Experiment，GOME)搭載于ERS2太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，用于探測(cè)同溫層和對(duì)流層大氣中各種組分，如痕量氣體、氣溶膠和云的分布情況［7］。GOME的譜段為240～790 nm，光譜分辨率在240～400 nm 為0.2 nm，在400～790 nm 為 0.4 nm，空間分辨率為40 km×40 km，光路圖如圖2所示。GOME是掃描成像光譜儀，由掃描鏡及其控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、焦平面組件、偏振測(cè)量系統(tǒng)、定標(biāo)組件和電子學(xué)處理電路組成。240～790 nm波段分成4個(gè)通道，其中240～405 nm的光被通道分離器(有反射和透射涂層的棱鏡)分成240～295 nm和290～405 nm兩個(gè)紫外通道;405～790 nm的光被一個(gè)雙色反射鏡分成405～605 nm和590～790 nm兩個(gè)通道。每個(gè)通道都采用一個(gè)1 024 pixel的硅線陣探測(cè)器［8-9］。為了定量化科學(xué)應(yīng)用，GOME設(shè)置了專門的定標(biāo)系統(tǒng)，提供儀器在軌定標(biāo)。定標(biāo)系統(tǒng)從電子學(xué)處理電路接到命令后，打開(kāi)定標(biāo)光源和快門，進(jìn)行定標(biāo)。通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)可連續(xù)監(jiān)測(cè)電流值、溫度及快門的狀態(tài)等。表2給出了GOME的主要技術(shù)參數(shù)。

表2 GOME主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indexes of GOME

2.3 OMI

美國(guó)和歐洲共同組織研制的新一代痕量氣體監(jiān)測(cè)儀—臭氧監(jiān)測(cè)儀(Ozone Monitoring Instrument，OMI)(見(jiàn)圖3)，主要用來(lái)精確測(cè)量地球大氣中O3總量及分布，研究大氣中O3的變化趨勢(shì)，同時(shí)可以獲得云和氣溶膠參量以及其他痕量氣體含量及其分布［10-11］。

圖3 OMI光路示意圖Fig.3 Optical path diagram of OMI

OMI是一種氣體成分探測(cè)儀，其通過(guò)測(cè)量地球大氣和地球表面的后向散射輻射，利用331.2和317.5 nm處臭氧的強(qiáng)吸收峰進(jìn)行臭氧總量的探測(cè)和反演。OMI的波長(zhǎng)為270～500 nm，光譜分辨率達(dá)0.42 nm，空間分辨率為13 km×24 km，視場(chǎng)為114°，幅寬為2 600 km。所以，OMI比GOME和SCIAMACHY具有更高的空間分辨率，并且具有一天覆蓋全球的優(yōu)勢(shì)，首次提供了每天的全球臭氧及其它污染物的測(cè)量結(jié)果。

OMI是一臺(tái)高光譜成像儀，掃描方式為推掃，用于探測(cè)可見(jiàn)光和紫外波段太陽(yáng)后向散射輻射。采用高光譜探測(cè)改進(jìn)了臭氧測(cè)量精度，并且可以進(jìn)行在軌的輻射和光譜定標(biāo)。地球后向散射經(jīng)掃描鏡進(jìn)入視場(chǎng)后，由寬視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡將光信號(hào)分別引入兩個(gè)光柵光譜儀，每個(gè)光譜儀使用各自的CCD探測(cè)器。星上定標(biāo)系統(tǒng)包括白光源、發(fā)光二極管和漫射器。表3為OMI的主要技術(shù)指標(biāo)。

表3 OMI主要技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Main technical indexes of OMI

3 國(guó)內(nèi)的痕量氣體遙感探測(cè)儀器

國(guó)內(nèi)大氣痕量氣體遙感探測(cè)儀器的研制起步較晚，比較有代表性的是2009年入軌的紫外臭氧總量探測(cè)儀(TOU)和正在研制的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)，其中TOU成功應(yīng)用在O3監(jiān)測(cè)方面并發(fā)揮了重要作用。

3.1 TOU

TOU用于大氣臭氧總量全球分布定量測(cè)量，其通過(guò)測(cè)量地球大氣對(duì)太陽(yáng)紫外波段的后向散射來(lái)反演全球臭氧總量全球分布，為全球氣候變化研究、氣候預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供重要參數(shù)。

TOU為一個(gè)6通道分光光度計(jì)，光機(jī)頭部由掃描鏡及其控制系統(tǒng)、前光學(xué)部分、分色片、波長(zhǎng)選擇調(diào)制器、后光學(xué)部分、探測(cè)器組件、輻射定標(biāo)裝置、波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)裝置和電子學(xué)控制、處理系統(tǒng)組成，具有3種工作模式，即對(duì)地掃描模式、波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)模式和輻射定標(biāo)模式［12-13］。其光譜特性和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4、表5。圖4給出了其光路示意圖。大氣紫外后向散射輻射經(jīng)掃描鏡、前光學(xué)部分后進(jìn)入分色片，經(jīng)光柵分光后由波長(zhǎng)選擇調(diào)制系統(tǒng)將6個(gè)測(cè)量波段送給光電倍增管，光電倍增管的輸出由前置放大器放大后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后由遠(yuǎn)置單元經(jīng)發(fā)送給衛(wèi)星并下傳。

表4 TOU通道中心波長(zhǎng)和帶寬Tab.4 Center wavelength and bandwidth of TOU channels

表5 TOU主要性能指標(biāo)Tab.5 Main technical indexes of TOU

圖4 TOU光路示意圖Fig.4 Optical path diagram of TOU

3.2 EMI

EMI用于監(jiān)測(cè)氣候和生態(tài)環(huán)境有重要影響的痕量氣體(O3、NO2、HCHO、BrO、OCLO 和 SO2)的分布和變化，儀器光譜為240～710 nm，采用4個(gè)光譜通道(240～315 nm、311～403 nm、401～550 nm、545～710 nm)，儀器在太陽(yáng)同步軌道進(jìn)行天底觀測(cè)，刈幅寬度為2 600 km。儀器的主要指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 EMI主要指標(biāo)Tab.6 Main technical indexes of EMI

EMI由離軸三反望遠(yuǎn)鏡、光路切換裝置、漫反體切換裝置、鹵素?zé)簟?臺(tái)光譜儀、4片背照幀轉(zhuǎn)移面陣CCD探測(cè)器及熱電制冷模塊組成。光路示意圖如圖5所示。

EMI采用推掃方式獲取來(lái)自地球的入射輻射，入射輻射通過(guò)儀器前置光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后進(jìn)入中繼光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)中繼光學(xué)的分色片分光并會(huì)聚后分別進(jìn)入4個(gè)獨(dú)立光譜儀，由光譜儀內(nèi)的Offner光學(xué)組件完成色散后，傳輸至各光譜儀相應(yīng)的面陣探測(cè)器完成空間和光譜信息記錄，再經(jīng)A/D、編碼后傳至數(shù)傳。儀器在軌采用太陽(yáng)光與標(biāo)準(zhǔn)燈實(shí)現(xiàn)光譜與輻射定標(biāo)。

圖5 EMI光路示意圖Fig.5 Optical path diagram of EMI

4 痕量氣體遙感探測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì)

為應(yīng)對(duì)全球氣候的變化，各國(guó)已越來(lái)越重視對(duì)全球和區(qū)域大氣痕量氣體的監(jiān)測(cè)，而大氣痕量氣體探測(cè)對(duì)精度要求越來(lái)越高。如國(guó)內(nèi)正在研制的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和紫外高光譜臭氧廓線探測(cè)儀的光譜分辨率要求為0.3 nm，靈敏度要求為mW量級(jí)，雜散光量級(jí)為10－4，其主要技術(shù)方案采用高效率的光柵光譜儀結(jié)合高性能的大規(guī)模探測(cè)器組件實(shí)現(xiàn)高精度的定量探測(cè)［14-15］?？梢?jiàn)，為了滿足大氣痕量氣體高精度、高靈敏度的探測(cè)需求，未來(lái)痕量氣體遙感儀器應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展以下幾個(gè)方面。

(1)提高光譜分辨率

為了細(xì)分痕量氣體及其變化，必須增加探測(cè)通道，進(jìn)而要求提高光譜分辨率。提高光譜分辨率的途徑常采用光柵式或干涉式分光方式，但同時(shí)必須要保證信號(hào)能量。

(2)提高空間分辨率

為了滿足地球化學(xué)探測(cè)的需求，要求遙感儀器的空間分辨率越來(lái)越高，例如:臭氧探測(cè)儀器由50 km提高到13 km。

(3)提高儀器的靈敏度和定標(biāo)精度

為了準(zhǔn)確反映所觀測(cè)目標(biāo)的真實(shí)情況，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)反演精度，痕量氣體探測(cè)儀器需要提高儀器的靈敏度和定標(biāo)精度。

(4)發(fā)展主動(dòng)遙感

為了精確獲取痕量氣體的變化信息，遙感衛(wèi)星需要配置一些主動(dòng)遙感儀器，如激光雷達(dá)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

大氣痕量氣體遙感觀測(cè)技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)、快速地獲取宏觀尺度上大氣痕量氣體的信息，相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站方式具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都相繼開(kāi)展了大氣痕量氣體遙感探測(cè)儀器的研究，以期掌握痕量氣體循環(huán)的第一手資料。

為滿足越來(lái)越高的應(yīng)用需求，大氣痕量氣體遙感探測(cè)儀器經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，其功能和性能指標(biāo)不斷提高。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在軌的痕量氣體遙感探測(cè)儀器在氣候變化研究中發(fā)揮了重要的作用，未來(lái)的遙感探測(cè)儀器的發(fā)展將在痕量氣體監(jiān)測(cè)方面產(chǎn)生更重要的影響。為具有更多的話語(yǔ)權(quán)，我國(guó)應(yīng)該積極發(fā)展痕量氣體遙感探測(cè)儀器，從而為區(qū)域和全球氣候變化研究提供強(qiáng)有力的科技手段。

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