大氣環境監測衛星紫外高光譜大氣成分探測儀技術發展及應用

司福祺，周海金，江 宇，葉擎昊，袁牧野，趙敏杰，錢園園

（1.中國科學院安徽光學精密機械研究所 環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.上海航天技術研究院，上海 201109；3.上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著全球氣候變化、大氣污染問題的日益加劇，高光譜成像衛星遙感成為人類了解全球大氣痕量氣體分布和變化趨勢的重要方式之一，在全球大氣污染監測領域得到了廣泛的應用［1-3］。歐空局和美國航空航天局發射的基于紫外可見波段的多個高光譜探測載荷已在衛星遙測領域取得眾多的成就。目前，國外同類載荷包括SCIAMACHY、OMI、GOME-2、TROPOMI 等［4-9］，我國在2018 年5 月發射了高分五號衛星，其上搭載的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀［10-13］，作為國內第一個紫外可見高光譜大氣污染探測載荷，首次獲取了痕量污染氣體成分NO2、SO2、O3等的全球分布和變化［14-18］，彌補了國產衛星污染氣體遙感能力的空白。“高分”五號的業務星高五02 星，其上搭載了大氣痕量氣體差分吸收光譜儀，在太原衛星發射中心于2021 年9 月發射成功。

大氣環境監測衛星［19-20］，運行于705 km 的太陽同步軌道，于2022 年4 月發射升空，紫外高光譜大氣成分探測儀（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）是大氣環境監測衛星裝載的5臺遙感儀器之一。相比高分五號衛星搭載的首個痕量氣體探測載荷，紫外高光譜大氣成分探測儀空間分辨率能力提升1 倍，全球大氣污染物監測能力進一步提升，更為有效地支撐大氣污染防治、全球氣候變化管理等用戶需求。

1 紫外高光譜大氣成分探測儀總體方案

紫外高光譜大氣成分探測儀載荷通過探測全球大氣的紫外到可見光譜，基于大氣污染氣體的吸收結構反演獲取全球大氣污染氣體分布和變化。EMI 光譜覆蓋240～710 nm，光譜分辨率優于0.6 nm，視場114°，空間分辨率24 km×13 km，運行在太陽同步軌道，以天底觀測方式進行全球探測，通過面陣推掃工作方式獲取高光譜、高空間分辨率的光譜信息，具備全球污染氣體一天覆蓋監測能力。紫外高光譜大氣成分探測儀主要指標要求見表1。

表1 紫外高光譜大氣成分探測儀主要性能要求Tab.1 Main property specifications of EMI

紫外高光譜大氣成分探測儀組成框圖如圖1所示，主要包括溫控箱、信息處理箱、光機頭部。溫控箱功能為完成載荷熱控、CCD 控溫等［21］，信息處理箱功能為遙控遙測、步進電機驅動、系統主控、二次電源供給等；光機頭部功能為光電轉換、光譜信息獲取、4 通道CCD 數據打包、模數轉換上傳等。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of the EMI system

2 紫外高光譜大氣成分探測儀技術發展

紫外高光譜大氣成分探測儀探測目標是大氣痕量氣體，氣體吸收信號遠弱于地表目標，大氣污染氣體反演對載荷信噪比、光譜分辨率提出了較高的要求，如對于NO2氣體，要求可見波段SNR≥1 300，光譜分辨率≤0.6 nm。同時，為滿足一天全球覆蓋，載荷設計視場需達到114°。相比上一代大氣痕量氣體探測載荷，紫外高光譜大氣成分探測儀又進一步提高了空間分辨率，達到了24 km×13 km，可更好地反映區域污染物濃度分布細節。需進一步發展大幅寬高分辨超光譜成像技術以實現大視場、寬光譜范圍、高光譜分辨率的指標要求。

載荷技術攻關的主要難點包括：1）工作波長范圍寬。工作波段在240～710 nm，這在紫外及可見光譜探測波段中覆蓋范圍較寬。2）高能量利用率。要求載荷系統具有較高的光學透過率，以實現大氣光譜的高信噪比探測。3）強集光能力。由于載荷光譜分辨率高，窄帶寬到達探測器像元的能量弱，需要對前置光學望遠鏡、中繼光學系統、光柵光譜儀等系統優化設計，增加載荷的集光能力。4）高的調制傳遞函數（MTF）。為了在紫外、弱的光照條件下實現地球大氣較高的空間分辨能力［22］，需要載荷有足夠高的MTF。

大幅寬高分辨超光譜成像技術分為2 部分：1）前置望遠成像系統；2）光譜成像系統。載荷系統如圖2 所示。載荷系統對地球大氣進行探測，前置望遠成像系統的主副鏡將地球大氣目標聚焦到視場光闌處進行成像，然后經中繼光學系統、分色片分成4 個光譜通道，成像在光譜成像系統的入射狹縫上。4 個光譜通道為Offner 光譜儀結構，將入射狹縫的像進行色散，每個單色光成像到面陣CCD 探測像元上，通過選取光柵、探測器像元數等參數可以實現預期的光譜分辨率［23］。

圖2 紫外高光譜大氣成分探測儀光學系統Fig.2 Schematic diagram of the optical system of EMI

前置望遠成像系統中的主鏡、副鏡引入了高次非球面鏡，中繼光學組件進一步提升光束聚焦質量，在光譜儀入射狹縫前取得了良好的像質，保證了后續光譜成像具備了良好的空間分辨能力。前置望遠成像系統工作過程如圖3 所示，具體為：天底方向的散射光通過光學系統的入瞳光欄后，入射到前置望遠鏡主鏡上，經反射后，進入擾偏器實現退偏后，由前置望遠鏡的孔徑光欄出射到前置望遠鏡副鏡處，轉折匯聚到視場光闌處。視場光闌處的光線發散后經中繼系統形成聚焦光束，經過4 個分色片，形成4 個光譜通道：240～311、311～401、401～550、550～710 nmA，4 個通道光譜通過中繼鏡頭成像到每個光譜儀入射狹縫上。

圖3 紫外高光譜大氣成分探測儀前置望遠成像系統Fig.3 Schematic diagram of the front telescopic imaging system of EMI

紫外高光譜大氣成分探測儀的光譜成像系統選擇了Offner 構型。目前常見的成像光譜儀多是基于反射式或透射式平面光柵，準直和聚光系統往往比較復雜，光能量損耗增加，光譜方向分辨率較低，光譜像質不均勻。因此選擇了基于凸面光柵的Offner結構，其在空間和光譜方向都有較好的分辨率，優勢為：1）光譜畸變較小（小于一個像素的），光譜性能優；2）系統結構緊湊，廣泛應用于空間遙感探測［10］。

紫外高光譜大氣成分探測儀光譜成像系統如圖4 所示，主要包括入射狹縫、凹面反射鏡、凸面光柵、面陣CCD 等。首先從狹縫入射的光入射到凹面鏡，然后由凹面鏡反射到凸面光柵上，經凸面光柵分光后的光束再次入射到凹面鏡上，再經凹面鏡聚焦到光譜儀的面陣CCD 上［25］。

圖4 光譜成像系統光路Fig.4 Schematical diagram of the spectral imaging system of EMI

紫外高光譜大氣成分探測儀的分辨率設計結果見表2，4 通道光譜分辨率≤0.42 nm，穿軌空間分辨率≤17.1 km，遠優于任務指標要求

表2 紫外高光譜大氣成分探測儀設計結果參數Tab.2 Designed parameters of EMI

3 應用示例

紫外高光譜大氣成分探測儀載荷入軌后取得了良好的應用效果。紫外高光譜大氣成分探測儀獲取的全球NO2柱濃度分布如圖5 所示，日期為2022 年5 月22 日—6 月6 日，去除云污染數據后進行多天平均。顯著高值區域包括中國東部區域、印度、中東地區等，與國外同類衛星的監測結果相比趨勢一致。紫外高光譜大氣成分探測儀與TROPOMI NO2柱濃度一致性比對結果如圖6所示。

圖5 DQ-1 衛星紫外高光譜大氣成分探測儀觀測NO2柱濃度全球分布（2022-5-22—2022-6-6）Fig.5 Global NO2 column concentration distribution from DQ-1 satellite EMI（2022-5-22-2022-6-6）

圖6 紫外高光譜大氣成分探測儀與TROPOMI NO2柱濃度一致性比對結果Fig.6 Comparison of NO2 column concentration results from EMI and TROPOMI

紫外高光譜大氣成分探測儀獲取的單日全球臭氧柱濃度分布如圖7 所示，日期為2022-5-23。基于差分吸收光譜算法，獲取臭氧斜柱濃度，隨后基于輻射傳輸模型，最終反演得到臭氧整層柱濃度。載荷一天基本實現全球覆蓋，清晰揭示了臭氧全球分布趨勢。紫外高光譜大氣成分探測儀與TROPOMI 的對比情況如圖8 所示，兩者具有很高一致性，平均相對誤差小于2%，平均精度為98%。

圖7 單日紫外高光譜大氣成分探測儀觀測O3柱濃度全球分布圖（2022-5-23）Fig.7 Global O3 column concentration distribution from EMI in one day（2022-5-23）

圖8 紫外高光譜大氣成分探測儀與TROPOMI O3柱濃度一致性比對結果Fig.8 Comparison of NO2 column concentration results from EMI and TROPOMI

EMI 載荷在軌運行為我國重大會議、賽事、重點區域等的環境保障工作提供高時效的數據，并為環保、氣象等用戶的污染氣體監測需求提供有力的支持。

4 結束語

大氣環境監測衛星上搭載的紫外高光譜大氣成分探測儀，作為我國新一代全球污染氣體探測高光譜載荷，空間分辨率大幅提升，更為有效地支撐大氣污染防治、全球氣候變化管理等用戶需求。我國陸續發射了高光譜觀測衛星、大氣環境監測衛星、高光譜綜合觀測衛星，目前已初步形成了全球關鍵痕量氣體成分“三星組網”監測能力，實現每天3 次大氣環境探測全球覆蓋，更高的重訪能力及空間分辨率可快速滿足行業熱點需求，為中國積極應對全球氣候變化提供數據支撐。