國產十余萬譜段超光譜探測儀研制成功

范東棟（航天東方紅衛星有限公司）

星載超光譜大氣成分探測儀

□□隨著全球人口增加，全球生態環境日益脆弱，全球氣候正在經歷明顯的變化過程。氣候變化已不僅僅是一個自然科學的前沿問題，還成為關系到社會經濟可持續發展、軍事與國家安全、環境外交等的政治問題。在美國五角大樓所作的《氣候突變的情景及其對美國國家安全的意義》這一報告中指出：“未來20年全球氣候變化對人類構成的威脅要勝過恐怖主義，人類的頭號威脅即為氣候問題。”氣候問題的研究已成為各國政府和科學界關注的重點，也是我國政府和科技界關注的熱點。

航天東方紅衛星有限公司成立于2001年5月，已成功研制并發射了10余顆應用于不同領域的小衛星。面對當前全球氣候環境問題，考慮到傅立葉變換光譜（FTS）技術的高通量、多通道、高光譜分辨率和寬光譜范圍等優勢，公司借助政府對該領域產業的大力支持，通過建立共贏的全球戰略合作團隊，共同推動FTS技術在中國航天遙感領域的應用。目前成功研制的星載超光譜大氣成分探測儀將作為中國全球氣候變化探測和溫室氣體探測應用中最重要的載荷之一，預計在2014年左右搭載發射。

1 儀器組成與基本原理

星載超光譜大氣成分探測儀選用了與加拿大科學衛星－1（SCISAT－1）上的大氣化學實驗（ACE）儀器及地面樣機儀器PARIS類似的FTS方案，采用太陽掩星探測模式，測量大氣吸收光譜，充分利用太陽這一穩定強輻射光源，實現探測器的小型化設計和數據的長期穩定有效性。根據應用需求，探測儀在2.4～13.3μm光譜覆蓋范圍內達到0.028cm-1極限光譜分辨率（包含約16.5萬個譜段），實現對大氣對流層、平流層及中間層的微量、痕量氣體的定量探測。該儀器由光機子系統、電控子系統、數據處理與分析子系統構成。其系統原理為：太陽光束被指向鏡捕獲后經由分色器分為可見和紅外兩部分，視場監測相機探測可見光束，用于動態調整指向鏡角度以跟蹤太陽；紅外信號光依次經過主鏡和次鏡后，被分束器分成透射光和反射光，分別進入干涉儀的兩臂，經過角鏡和端鏡反射后又分別回到分束器，形成干涉信號，干涉調制后的信號透過端鏡中心的開孔由輸出鏡傳遞給探測器。

測量到的干涉信號經傅立葉變換、光譜和輻射定標后得到探測對象的光譜信息，然后通過進一步的反演算法可獲得大氣廓線分布數據。依據用戶的不同應用需求，可以進行深入的數據挖掘。由于采用雙角鏡與端鏡的組合設計，獲得了光程差相對機械行程差的8倍放大，并使系統對光路元件的傾斜和剪切變形不敏感，保證了系統結構的緊湊性和性能的穩定性。另外，還配套開發了數據處理與分析軟件，具有快速成像光譜計算、相位校正、光譜定標、信噪比評估、微窗口數據生成等功能。

儀器的核心干涉組件

星載超光譜大氣成分探測儀數據處理與分析軟件界面

儀器ILS曲線

2 儀器性能指標評價

星載超光譜大氣成分探測儀于2008年1月研制完成，已對其各方面性能指標進行了全面測試與評價，其中信噪比和光譜分辨率是兩個最重要的性能指標。

為了評價信噪比指標，技術人員將儀器放在室外對太陽目標進行觀測，采集10組連續觀測光譜數據進行分析，并將系統信噪比指標定義為光譜數據標準差與光譜數據平均值之商。通過測試分析顯示，在大氣窗口范圍內，系統信噪比最高達到1000∶1，普遍優于100∶1。

星載超光譜大氣成分探測儀測量獲得的光譜等于理論光譜與儀器線型函數（ILS）的卷積。ILS是當一個單色光源均一地覆蓋系統的視場時儀器的光譜測量結果。其半高寬即為儀器的光譜分辨率。在儀器的ILS測試中采用了1000K黑體輻射源，試驗氣體選用CO，其氣壓為66.6612Pa，溫度為22.85℃，儀器的視場角設定為7.4mrad。儀器ILS曲線圖中顯示了ILS在770cm-1、2190cm-1和4100cm-1的半高寬。測試結果表明：星載超光譜大氣成分探測儀滿足設計目標，部分指標優于需求值，如光譜分辨率在全譜段均優于0.028cm-1。光譜分辨率隨波數發生變化，長波譜段的光譜分辨率比短波譜段的高。

自2008年7月開始，星載超光譜大氣成分探測儀地基配置型在北京奧運大氣觀測超級站開展了遙感觀測，并加入了北京環保部門和中國科學院組織的大氣觀測計劃，獲取了大量觀測數據，實現了對N2O、CO2、O3、CH4、CO、CFC－12等近10種氣體成分的反演，相關的研究機構目前正在深入開展數據產品的后續分析應用研究。

儀器安裝地點示意圖

儀器主要技術指標

3 結語

針對中國全球氣候變化探測和溫室氣體探測應用，航天東方紅衛星有限公司研制了一種基于FTS的星載超光譜大氣成分探測儀。該儀器通過測量太陽光吸收光譜實現大氣成分的探測，具有結構緊湊、性能穩定、信噪比高和光譜分辨率高等特點，最終研發完成的儀器設備及相關數據處理與分析軟件經過測試滿足應用的指標需求。地基配置型儀器的戶外試驗驗證了儀器完成大氣成分探測的有效性和可靠性，試驗數據顯示其測量和反演結果與現有數據庫精確吻合。試驗結果表明，該儀器具有廣泛應用于星載平臺的潛力。