□ 周立勛 藺超 張軍強

中國碳衛(wèi)星究竟有多牛？

□ 周立勛 藺超 張軍強

碳衛(wèi)星工作示意圖

中國首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星（簡稱“碳衛(wèi)星”）經(jīng)平臺測試、載荷加熱排污等一系列工作后，其有效載荷于1月12日成功開機，13日轉(zhuǎn)入在軌觀測任務模式并獲取首批觀測數(shù)據(jù)。

此次獲得的數(shù)據(jù)是通過高光譜二氧化碳監(jiān)測儀獲取，并經(jīng)過地面處理生成的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收光譜圖，是我國從太空獲取的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收高分辨率光譜圖。首批觀測數(shù)據(jù)的成功獲取表明碳衛(wèi)星與地面應用系統(tǒng)均運行良好。衛(wèi)星平臺按指令準確實現(xiàn)了各種復雜指向模式，主載荷高光譜探測儀工作穩(wěn)定、功能正常、狀態(tài)良好，為后續(xù)科學家開展大氣二氧化碳高精度反演打下了堅實基礎(chǔ)。

那么碳衛(wèi)星到底身懷什么樣的絕技，才能夠讓“碳排放”無處遁形？今天讓我們一探究竟。

中國碳衛(wèi)星身負光榮使命

在節(jié)能減排刻不容緩的形勢下，為了達到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標（可測量、可報告、可核查）和相應的計量方法，各國政府都迫切希望科學家們能拿出切實可行的測量方法和技術(shù)，為全球碳循環(huán)的研究提供可信的數(shù)據(jù)支持。

要在全球和區(qū)域尺度獲取碳循環(huán)研究所需的二氧化碳通量信息，星載二氧化碳探測技術(shù)成為“嗅碳”的首要突破點，然而極大的技術(shù)難度使目前全球僅有兩顆衛(wèi)星在軌工作：一顆是日本于2009年成功發(fā)射的溫室氣體觀測衛(wèi)星“呼吸”號（GOSAT）衛(wèi)星，另一顆是美國2014年發(fā)射的“軌道碳觀測者”（OCO）-2衛(wèi)星。

2009年，國家遙感中心組織專家組開始中國碳衛(wèi)星的前期戰(zhàn)略研究工作；2011年在863計劃的支持下“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星與應用示范”重大項目（中國碳衛(wèi)星）正式立項。項目目標為研制并發(fā)射一顆“以高光譜二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監(jiān)測科學試驗衛(wèi)星”，建立高光譜衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理與驗證系統(tǒng)，形成對全球、中國及其他重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測能力，監(jiān)測精度達到1～4ppm。

無所遁形碳衛(wèi)星如何監(jiān)測全球二氧化碳濃度

碳衛(wèi)星實現(xiàn)大氣溫室氣體探測是基于大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應用反演算法即可計算出衛(wèi)星在觀測路徑上二氧化碳的柱濃度。

2011年1月26日，日本GOSAT衛(wèi)星拍攝的霧島山火山灰煙柱照片，當時火山活動強度尚未達到令當局發(fā)出疏散警告的程度。這張假色照片顯示火山灰煙柱正向東南方向擴散

美國OCO-2衛(wèi)星

通過對全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型計算，可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時間通過單位面積的二氧化碳總量），這正是碳循環(huán)研究的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。二氧化碳探測儀采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm三 個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，如此高的分辨率在國內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。

一個好漢三個幫，在主載荷之外，碳衛(wèi)星的另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀，可以用來測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度剔除干擾因素。

除了這些載荷發(fā)揮作用外，碳衛(wèi)星最終要實現(xiàn)全球觀測，還需要衛(wèi)星平臺實現(xiàn)靈活的觀測模式。

二氧化碳探測儀與衛(wèi)星平臺配合，通過主平面天底和耀斑兩種主要觀測模式，才能對全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進行精確測量。為保證在軌獲取光譜數(shù)據(jù)的精度，載荷需要在軌進行對日、對月定標，這也需要衛(wèi)星平臺頻繁調(diào)整姿態(tài)、翩翩起舞。

中國碳衛(wèi)星絕對是地球之上的靈魂舞者。

當然，僅有衛(wèi)星是遠遠不能完成使命的，若要實現(xiàn)最終任務目標，需要多個大系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。在科技部、中國科學院的共同組織下，碳衛(wèi)星按照航天工程模式，組成了衛(wèi)星、運載、

大面積全息衍射光柵

工作人員在低溫實驗室進行儀器調(diào)試

工作人員對碳衛(wèi)星原理樣機進行裝調(diào)

為了確保二氧化碳探測儀的測量精度并驗證反演算法，2015年9月，項目組用改造后的原理樣機在白城附近草原進行了航空校飛試驗

鋼鐵怎樣煉成二氧化碳探測儀關(guān)鍵技術(shù)與突破

二氧化碳探測儀采用三通道光柵光譜儀的方案，選用一塊Si-CCD探測器和兩塊MCT制冷探測器接收3個波段的高光譜分辨率光譜輻射信號，由指向反射鏡、望遠鏡、分束器、三個光柵光譜儀和星上定標組成，0.76μm、1.61μm和2.06μm共3發(fā)射場、測控、應用五大系統(tǒng)。

碳衛(wèi)星發(fā)射運行后，科學數(shù)據(jù)將依托風云系列地面接收站資源完成數(shù)據(jù)下傳。這些數(shù)據(jù)并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經(jīng)過大氣物理學家進行高精度的全球二氧化碳分布反演計算，最終才能成為全球二氧化碳觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品并共享發(fā)布。個譜段，分別對大氣中的氧氣和二氧化碳痕量氣體進行觀測，提供大氣溫室氣體的精細光譜測量結(jié)果。

二氧化碳探測儀核心的技術(shù)指標和難點就是要同時實現(xiàn)高光譜分辨率和高輻射分辨率，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測儀可以把指紋放大一百倍，精細的測量每條指紋的寬度和深度。

為實現(xiàn)核心指標，二氧化碳探測儀突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

二氧化碳探測儀通過一塊指向反射鏡對外部光線進行收集，這塊指向鏡在設計時被巧妙地設計成“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測時折射光線；一面漫反射面，在定標時對準太陽，形成漫反射光來定標儀器精度。

巧妙設計的背后是加工制造難度的極大增加，一方面要保證鏡面和漫反射面的高精度，另一方面要實現(xiàn)高度輕量化和高可靠性，研究人員經(jīng)過反復的工藝摸索和大量的空間可靠性試驗，最終才完全攻克這項關(guān)鍵技術(shù)難題。

二氧化碳探測儀使用的核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度，同時要能夠適應苛刻的太空環(huán)境。

為突破這項關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(chǔ)的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點點攻克技術(shù)難點，最終制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗中進行了驗證。

對于碳衛(wèi)星上的二氧化碳探測儀來說，還有一項與其他很多星載光學載荷不同，那就是它在軌工作時要保持在-5℃的溫度水平，這是為了提高兩個紅外通道的信噪比、保證光譜探測精度。

這一簡單的條件變化，需要科研人員進行所有的組件、整機裝調(diào)工作時都必須在-5℃條件下。于是，在載荷初樣、正樣研制最緊張的階段，研究人員連續(xù)數(shù)月在低溫室里工作，經(jīng)常是戶外30℃以上的高溫，而低溫室內(nèi)卻要穿著厚厚的羽絨服、凍著手堅持裝調(diào)。

定標技術(shù)是光譜儀器的最終實現(xiàn)精度的關(guān)鍵技術(shù)，為保證最終的光譜數(shù)據(jù)的精準，必須在實驗室和在軌工作時對儀器的光譜性能和輻射性能進行精準標定。

碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)（上方是多譜段云與氣溶膠探測儀，右側(cè)是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀）

多譜段云與氣溶膠探測儀

熱真空試驗

二氧化碳探測儀和云與氣溶膠探測儀采用了國際最先進的定標技術(shù)。為保證實驗室定標數(shù)據(jù)有效性，二氧化碳探測儀必須在真空罐內(nèi)模擬在軌實際工作狀態(tài)進行定標，而這一真空定標系統(tǒng)是為二氧化碳探測儀量身特制的。

科研人員還利用可調(diào)諧激光器和波長及搭建自動化定標系統(tǒng)，大幅提高了實驗室定標的效率，使儀器的定標周期較OCO-2衛(wèi)星大幅縮短。

而提到在軌定標技術(shù)，兩臺儀器均采用的是多種定標模式交叉比對定標，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在軌對日定標，云與氣溶膠探測儀還能夠進行在軌對月定標，這使得在太空工作狀態(tài)下，儀器也能有一個穩(wěn)定的決定定標基準，對于保證儀器最終的數(shù)據(jù)精度極為關(guān)鍵。

一個好漢三個幫“配角”也不簡單

多譜段云與氣溶膠探測儀雖然不是“主角”，但千萬別小看它，它可能會給我們帶來很多意想不到的收獲。

在碳衛(wèi)星立項論證時，云與氣溶膠探測儀只規(guī)劃了0.38μm、0.67μm、0.87μm、1.64μm四個光譜通道，但隨著地面應用系統(tǒng)的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375μm探測通道，并在0.67μm和1.64μm波段實現(xiàn)0°、60°、120°三個方向的偏振測量功能。

為了獲取更加豐富的科學數(shù)據(jù)，載荷研制單位克服困能，重新對儀器進行了設計，按照應用系統(tǒng)的需求增加了相應的探測通道。

增加探測通道后，利用偏振信號對氣溶膠敏感而對地表不敏感的特點，可以提取氣溶膠光學厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標量信號對地表敏感的特點，經(jīng)過大氣訂正，得到地表反射率，從而實現(xiàn)對氣溶膠和地表反射率的同時反演。

這樣不僅可以獲取到全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐?！?/p>