我國走向“碳索”新征程實現全球溫室氣體排放監測—解讀我國首臺干涉型高光譜溫室氣體遙感器

韓美玲 李碧岑（北京空間機電研究所）

2017年11月15日，隨風云－3D衛星順利入軌的我國首臺干涉型溫室氣體觀測遙感器——“高光譜溫室氣體監測儀”，將為全球溫室氣體排放監測、溫室氣體與氣候變化關系等問題的研究提供強有力的數據支持，為建設美麗中國，為人民創造良好的生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。

該遙感器由中國空間技術研究院北京空間機電研究所歷時6年時間研制而成，采用時間調制型干涉分光的技術途徑，具有超高光譜分辨率、寬光譜覆蓋和高信噪比等多項優秀性能，成為我國高光譜溫室氣體干涉探測的開拓者，實現了多個“國內首次”和“國際最高”。

將不同類型光譜的“指紋特征”放大精確探測多種大氣成分

人們在日常生活中能夠看到的光是由多種顏色構成的復色光，通過棱鏡等輔助工具分光后顯現的是單色光。這些單色光按不同波長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，由于物質組成、結構等不同，都具有不同的光譜特征。這些獨特的光譜特性，類似于人類的指紋，是遙感科學中用以識別和分析不同物質特征的一種重要“身份證”。

據北京空間機電研究所專家介紹，風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”是一臺可以將大氣中的微量甚至痕量氣體成分通過光譜解析的方法檢測出來的光譜儀，利用氣體分子對地球反射太陽光譜的吸收，測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。

該監測儀的分光技術源于經典的邁克爾遜干涉原理，這項技術的一大優勢便是可以通過技術手段使光線走過的行程產生變化，進而實現更寬譜段范圍的光譜細分，光線走過的行程越長，光譜分辨率就越高，即對不同類型的光譜區分得更精確。為了達到超高的光譜分辨能力，風云－3D衛星監測儀在邁克爾遜干涉儀的基礎上進行優化改進，實現了干涉光程相對機構機械運動行程的4倍放大，在近紅外至短波紅外譜段的光譜通道數多達5000多個。以人們可見的光譜段彩虹打比方，風云－3D衛星監測儀可以把彩虹的一種顏色又細分上千倍。

作為國內首個星載干涉型溫室氣體觀測遙感器，風云－3D衛星監測儀對光譜的分辨能力高達0.03nm，能同時觀測二氧化碳、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氧氣和氣溶膠等多種大氣成分，為科學家研究碳循環提供了更為豐富的素材。

超靈敏“觸覺”提高二氧化碳監測精度

工業革命以來，全球變暖、溫室效應等氣候變化問題日益嚴峻，對碳排放的量化監測已成為溫室氣體減排的重要技術保障。大氣中，二氧化碳濃度只有萬分之四，甲烷的含量則僅為百萬分之二左右。北京空間機電研究所研制的風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”能夠探測到空氣中二氧化碳百萬分之四的濃度變化。

該監測儀之所以具有如此超靈敏的“觸覺”，還要得益于北京空間機電研究所研制團隊為其配備的國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”衛星（GOSAT）的1.5倍。與此同時，科研團隊積極攻克了干涉儀口徑增大所帶來的角鏡加工、機構控制等一系列難題，使干涉儀機構具有高抗震性能，結構緊湊，十分適用于復雜惡劣的空間運行環境。

風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”在軌直接獲取的是干涉圖信號，由各種波長的光干涉形成的“明暗條紋”疊加而成，需要地面通過傅里葉變換技術得到大氣吸收光譜。為了更好地實現干涉信號的高精度采集，監測儀配備了激光計量系統。計量激光就像一把看不見的光尺，通過對激光器溫度、電流的精確控制，保障了激光波長的穩定，實現了一張干涉圖七萬多個數據點的等間隔采樣，進而保證了光譜數據獲取的精度。

不僅“觀得寬”，而且“察得細”

全球碳循環研究對數據獲取的廣度和效率提出了新的要求。與常規遙感相機不同，風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”并非實現遙感圖像拍攝，而是在穿軌方向即垂直衛星飛行的方向進行掃描打點觀測。

北京空間機電研究所研制團隊為風云－3D衛星高光譜溫室氣體監測儀采用的二維指向機構設計，實現了穿軌大角度高速精確切換，同時保證了對衛星飛行方向的慢速補償。

風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”的掃描范圍覆蓋1200km寬度，相當于從北京到上海的距離。與此同時，相較于目前在軌的日本“呼吸”衛星，風云－3衛星“高光譜溫室氣體監測儀”的穿軌測量點數由5點提升至7點和9點兩種模式，單點觀測時長由4s減少至2.2s和1.1s，觀測效率提升1倍。

不僅會“豎直往下看”，還會“斜著角度看”、“自動盯著耀斑看”

與所有監測類有效載荷相同，監測儀可以實現對觀測目標“盯著看”以及“在軌體檢”功能，即利用太陽作為標準能量源，對監測儀本身的各項指標進行檢查，并對由于空間環境等因素造成的指標偏差進行校正。

除常規監測類有效載荷都具備的上述兩種觀測模式外，該監測儀還首次設計了陸地和海洋自主識別功能，在陸地上空對準地面進行溫室氣體探測；在海洋上空，監測儀則自動盯著“海中的太陽”觀測，獲取海上大氣中溫室氣體含量的數據，實現全球溫室氣體數據的高效獲取。監測儀的二維指向機構就像一個優雅而靈動的舞者，時而跳動充滿節奏的“探戈”，時而溫情凝視廣袤的海洋，反射太陽的耀眼光影，指引監測儀“豎直往下看”、“斜著角度看”、“自動盯著耀斑看”。

風云－3D衛星“高光譜溫室氣體監測儀”開創了多項國內首次和國際第一，實現了我國光譜遙感事業向“超光譜”時代的跨越，并將為我國的溫室氣體監測業務運行積累基礎，將為我國應對氣候變化、掌握碳交易主動權、保障國家低碳經濟發展作出重大的貢獻。