我國首臺高光譜溫室氣體監(jiān)測儀隨風(fēng)云三號上天

       近日，隨風(fēng)云三號衛(wèi)星順利入軌的我國首臺干涉型溫室氣體觀測載荷——高光譜溫室氣體監(jiān)測儀，為全球溫室氣體排放監(jiān)測、溫室氣體與氣候變化關(guān)系等問題的研究提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。
       該載荷由中國空間技術(shù)研究院下屬北京空間機(jī)電研究所歷時(shí)六年時(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，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“國內(nèi)首次”、“國際最高”，成為我國高光譜溫室氣體干涉探測的開拓者。
       放大“指紋特征”精確探測大氣成分
       大家在日常生活中能夠看到的光都具有獨(dú)特的光譜特性，類似于人類的指紋功能，是遙感科學(xué)中用以識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。據(jù)北京空間機(jī)電研究所徐彭梅研究員介紹：“風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)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特性，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。”作為國內(nèi)首個(gè)星載干涉型溫室氣體遙感器，風(fēng)云三號監(jiān)測儀對光譜的分辨能力高達(dá)0.03納米，能同時(shí)觀測多種大氣成分，為科學(xué)家研究碳循環(huán)提供了更為豐富的素材。
       該監(jiān)測儀的分光技術(shù)源于經(jīng)典的邁克爾遜干涉原理，為了達(dá)到超高的光譜分辨能力，風(fēng)云三號監(jiān)測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)，以可見光譜段人們常見的彩虹打比方，風(fēng)云三號監(jiān)測儀可以把彩虹的一種顏色又細(xì)分上千倍。
       超靈敏“觸覺”提高二氧化碳監(jiān)測精度
       風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀能夠探測到空氣中二氧化碳的百萬分之四的濃度變化。
       該監(jiān)測儀之所以具有如此超靈敏的“觸覺”，還要得益于研制團(tuán)隊(duì)為其配備的國際上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“嗅 碳”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)具有高度抗震性能，結(jié)構(gòu)緊湊，十分適用于復(fù)雜惡劣的太空運(yùn)行環(huán)境。
       風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀在軌直接獲取的是干涉圖信號，是由各種波長的光干涉形成的“明暗條紋”疊加而成的，需要地面通過傅里葉變換技術(shù)得到大氣吸收光譜。為了更好地實(shí)現(xiàn)干涉信號的高精度采集，監(jiān)測儀配備了激光計(jì)量系統(tǒng)。計(jì)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(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了一張干涉圖七萬多個(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)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀并非實(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。
       研制團(tuán)隊(duì)為風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測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)保證了對衛(wèi)星飛行方向的慢速補(bǔ)償。
       風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀的掃描范圍覆蓋1200公里寬度，相當(dāng)于從北京到上海的駕車距離。與此同時(shí)，相較于目前在軌的日本GOSAT，風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀的穿軌測量點(diǎn)數(shù)由5點(diǎn)提升至7點(diǎn)和9點(diǎn)兩種模式，單點(diǎn)觀測時(shí)長由4秒減少至2.2秒和1.1秒，觀測效率提升1倍。
       全角度多方位觀測
       與所有監(jiān)測類載荷相同，監(jiān)測儀可以實(shí)現(xiàn)對觀測目標(biāo)“盯著看”以及“在軌體檢”功能，即利用太陽作為標(biāo)準(zhǔn)能量源，對監(jiān)測儀本身的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查 ，并對由于太空環(huán)境等因素造成的指標(biāo)偏差進(jìn)行“校正”。
       除常規(guī)監(jiān)測類載荷都具備的上述兩種觀測模式外，該監(jiān)測儀還首次設(shè)計(jì)了陸地和海洋自主識別功能，在陸地上空對準(zhǔn)地面進(jìn)行溫室氣體探測；在海洋上空 ，監(jiān)測儀則自動(dòng)盯著“海中的太陽”觀測，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，反射太陽的耀眼光影，指引監(jiān)測儀“豎直往下看”、“斜著角度看”、“自動(dòng)盯著耀斑看”。風(fēng)云三號高光譜溫室氣體監(jiān)測儀，開創(chuàng)了多項(xiàng)國際第一和國內(nèi)首次，實(shí)現(xiàn)了我國光譜遙感事業(yè)向“超光譜”時(shí)代的跨越，并將為我國的溫室氣體監(jiān)測 業(yè)務(wù)運(yùn)行積累基礎(chǔ)，將為我國應(yīng)對氣候變化、掌握碳貿(mào)易主動(dòng)權(quán)、保障國家低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

       （來源：中國空間技術(shù)研究院）