韓美玲 李碧岑（北京空間機(jī)電研究所）

2017年11月15日，隨風(fēng)云－3D衛(wèi)星順利入軌的我國(guó)首臺(tái)干涉型溫室氣體觀測(cè)遙感器——“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”，將為全球溫室氣體排放監(jiān)測(cè)、溫室氣體與氣候變化關(guān)系等問(wèn)題的研究提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，為建設(shè)美麗中國(guó)，為人民創(chuàng)造良好的生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。

該遙感器由中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間機(jī)電研究所歷時(shí)6年時(shí)間研制而成，采用時(shí)間調(diào)制型干涉分光的技術(shù)途徑，具有超高光譜分辨率、寬光譜覆蓋和高信噪比等多項(xiàng)優(yōu)秀性能，成為我國(guó)高光譜溫室氣體干涉探測(cè)的開(kāi)拓者，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“國(guó)內(nèi)首次”和“國(guó)際最高”。

將不同類型光譜的“指紋特征”放大精確探測(cè)多種大氣成分

人們?cè)谌粘Ｉ钪心軌蚩吹降墓馐怯啥喾N顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過(guò)棱鏡等輔助工具分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長(zhǎng)大小依次排列形成的圖案就是光譜。地球上不同的元素及其化合物，由于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等不同，都具有不同的光譜特征。這些獨(dú)特的光譜特性，類似于人類的指紋，是遙感科學(xué)中用以識(shí)別和分析不同物質(zhì)特征的一種重要“身份證”。

據(jù)北京空間機(jī)電研究所專家介紹，風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”是一臺(tái)可以將大氣中的微量甚至痕量氣體成分通過(guò)光譜解析的方法檢測(cè)出來(lái)的光譜儀，利用氣體分子對(duì)地球反射太陽(yáng)光譜的吸收，測(cè)量出吸收譜線的變化，從而推算出大氣中二氧化碳、甲烷等成分的濃度變化。

該監(jiān)測(cè)儀的分光技術(shù)源于經(jīng)典的邁克爾遜干涉原理，這項(xiàng)技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)便是可以通過(guò)技術(shù)手段使光線走過(guò)的行程產(chǎn)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更寬譜段范圍的光譜細(xì)分，光線走過(guò)的行程越長(zhǎng)，光譜分辨率就越高，即對(duì)不同類型的光譜區(qū)分得更精確。為了達(dá)到超高的光譜分辨能力，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測(cè)儀在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了干涉光程相對(duì)機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)行程的4倍放大，在近紅外至短波紅外譜段的光譜通道數(shù)多達(dá)5000多個(gè)。以人們可見(jiàn)的光譜段彩虹打比方，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測(cè)儀可以把彩虹的一種顏色又細(xì)分上千倍。

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)星載干涉型溫室氣體觀測(cè)遙感器，風(fēng)云－3D衛(wèi)星監(jiān)測(cè)儀對(duì)光譜的分辨能力高達(dá)0.03nm，能同時(shí)觀測(cè)二氧化碳、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氧氣和氣溶膠等多種大氣成分，為科學(xué)家研究碳循環(huán)提供了更為豐富的素材。

超靈敏“觸覺(jué)”提高二氧化碳監(jiān)測(cè)精度

工業(yè)革命以來(lái)，全球變暖、溫室效應(yīng)等氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，對(duì)碳排放的量化監(jiān)測(cè)已成為溫室氣體減排的重要技術(shù)保障。大氣中，二氧化碳濃度只有萬(wàn)分之四，甲烷的含量則僅為百萬(wàn)分之二左右。北京空間機(jī)電研究所研制的風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”能夠探測(cè)到空氣中二氧化碳百萬(wàn)分之四的濃度變化。

該監(jiān)測(cè)儀之所以具有如此超靈敏的“觸覺(jué)”，還要得益于北京空間機(jī)電研究所研制團(tuán)隊(duì)為其配備的國(guó)際上角鏡口徑最大的雙角鏡擺臂式干涉儀，其角鏡口徑是目前在軌的日本“呼吸”衛(wèi)星（GOSAT）的1.5倍。與此同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)積極攻克了干涉儀口徑增大所帶來(lái)的角鏡加工、機(jī)構(gòu)控制等一系列難題，使干涉儀機(jī)構(gòu)具有高抗震性能，結(jié)構(gòu)緊湊，十分適用于復(fù)雜惡劣的空間運(yùn)行環(huán)境。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”在軌直接獲取的是干涉圖信號(hào)，由各種波長(zhǎng)的光干涉形成的“明暗條紋”疊加而成，需要地面通過(guò)傅里葉變換技術(shù)得到大氣吸收光譜。為了更好地實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的高精度采集，監(jiān)測(cè)儀配備了激光計(jì)量系統(tǒng)。計(jì)量激光就像一把看不見(jiàn)的光尺，通過(guò)對(duì)激光器溫度、電流的精確控制，保障了激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了一張干涉圖七萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的等間隔采樣，進(jìn)而保證了光譜數(shù)據(jù)獲取的精度。

不僅“觀得寬”，而且“察得細(xì)”

全球碳循環(huán)研究對(duì)數(shù)據(jù)獲取的廣度和效率提出了新的要求。與常規(guī)遙感相機(jī)不同，風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”并非實(shí)現(xiàn)遙感圖像拍攝，而是在穿軌方向即垂直衛(wèi)星飛行的方向進(jìn)行掃描打點(diǎn)觀測(cè)。

北京空間機(jī)電研究所研制團(tuán)隊(duì)為風(fēng)云－3D衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀采用的二維指向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了穿軌大角度高速精確切換，同時(shí)保證了對(duì)衛(wèi)星飛行方向的慢速補(bǔ)償。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”的掃描范圍覆蓋1200km寬度，相當(dāng)于從北京到上海的距離。與此同時(shí)，相較于目前在軌的日本“呼吸”衛(wèi)星，風(fēng)云－3衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”的穿軌測(cè)量點(diǎn)數(shù)由5點(diǎn)提升至7點(diǎn)和9點(diǎn)兩種模式，單點(diǎn)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)由4s減少至2.2s和1.1s，觀測(cè)效率提升1倍。

不僅會(huì)“豎直往下看”，還會(huì)“斜著角度看”、“自動(dòng)盯著耀斑看”

與所有監(jiān)測(cè)類有效載荷相同，監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)“盯著看”以及“在軌體檢”功能，即利用太陽(yáng)作為標(biāo)準(zhǔn)能量源，對(duì)監(jiān)測(cè)儀本身的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查，并對(duì)由于空間環(huán)境等因素造成的指標(biāo)偏差進(jìn)行校正。

除常規(guī)監(jiān)測(cè)類有效載荷都具備的上述兩種觀測(cè)模式外，該監(jiān)測(cè)儀還首次設(shè)計(jì)了陸地和海洋自主識(shí)別功能，在陸地上空對(duì)準(zhǔn)地面進(jìn)行溫室氣體探測(cè)；在海洋上空，監(jiān)測(cè)儀則自動(dòng)盯著“海中的太陽(yáng)”觀測(cè)，獲取海上大氣中溫室氣體含量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體數(shù)據(jù)的高效獲取。監(jiān)測(cè)儀的二維指向機(jī)構(gòu)就像一個(gè)優(yōu)雅而靈動(dòng)的舞者，時(shí)而跳動(dòng)充滿節(jié)奏的“探戈”，時(shí)而溫情凝視廣袤的海洋，反射太陽(yáng)的耀眼光影，指引監(jiān)測(cè)儀“豎直往下看”、“斜著角度看”、“自動(dòng)盯著耀斑看”。

風(fēng)云－3D衛(wèi)星“高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀”開(kāi)創(chuàng)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)首次和國(guó)際第一，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)光譜遙感事業(yè)向“超光譜”時(shí)代的跨越，并將為我國(guó)的溫室氣體監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行積累基礎(chǔ)，將為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、掌握碳交易主動(dòng)權(quán)、保障國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重大的貢獻(xiàn)。