熊偉
?
星載超光譜大氣主要溫室氣體監測儀載荷
熊偉1,2
(1 中國科學院安徽光學精密機械研究所,合肥 230031)(2 中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗,合肥 230031)
“高分五號”衛星是中國高分重大專項中第一顆高光譜分辨率衛星,共搭載有六臺有效載荷,其中大氣主要溫室氣體監測儀是實現CO2、CH4等溫室氣體探測的超光譜專用載荷。該載荷采用新型空間外差光譜技術原理,具有無運動部件分光、超光譜、光通量大等技術特色,是國際上首次實現基于該技術體制研制的溫室氣體載荷,且完全依托中國現有基礎進行自主研制。文章主要介紹了大氣主要溫室氣體監測儀探測原理及方案、在軌工作模式設計,研制過程中突破的一體化干涉儀膠合、星上定標、海洋耀斑觀測等多項關鍵技術。闡述了載荷地面定標及性能驗證等工作,對定標及測試數據進行了分析,結果表明該載荷性能已到達了國際同類載荷的先進水平。文章最后還對溫室氣體后續探測載荷發展提出了一些具體建議。
溫室氣體 空間外差光譜技術 超光譜 外差干涉儀 “高分五號”衛星
“高分五號”(GF-5)衛星是我國高分辨率對地觀測系統重大專項中第一顆高光譜遙感衛星,主要面向國家污染減排、環境監管、大氣成分與氣候變化監測、國土資源調查等重大需求,開展污染氣體、溫室氣體、區域環境空氣品質、水環境和生態環境、地礦資源調查等遙感監測[1]。GF-5衛星裝載可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀、大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀共六臺有效載荷。中國科學院安徽光學精密機械研究所負責其中大氣主要溫室氣體監測儀GMI(Greenhouse gases Monitor Instrument)有效載荷的研制任務。
GMI運行在軌道高度為705km的太陽同步軌道上,采用天底和耀斑觀測模式,獲取周期性探測數據,并具備在軌定標功能。載荷的主要任務是以大氣中主要的溫室氣體CO2、CH4為探測對象(O2為輔助探測通道),通過獲取的各氣體的超分辨吸收光譜信息,反演大尺度范圍上的大氣主要溫室氣體柱濃度含量數據,從而為“源”與“匯”分析、污染減排和環境外交服務。
GMI是我國首臺實現基于空間外差光譜(SHS)技術原理的星載超光譜大氣探測載荷,也是國際上首次將該技術應用于溫室氣體探測,最高光譜分辨率達到0.035nm,且載荷克服了傳統超光譜分光的不足,如光柵分光對大面陣刻劃光柵的依賴;FTS分光對動靜精密控制的工程限制等。
本文主要了分析GMI載荷的探測原理、技術方案、單機組成以及工作模式,以及研制過程中突破的多項核心關鍵技術,最后對載荷的地面定標及測試情況進行了介紹,表明該載荷性能水平已達到了國際同類載荷的先進水平,為下一步溫室氣體反演及產品應用奠定了基礎。
由于溫室氣體在大氣中含量相對較少(如CO2約390ppm)[2-4]且變化幅度不大(由季節性的光合作用變化引起的CO2濃度波動從北半球的約12 ppm –22ppm,向南半球遞減到1 ppm –2ppm),而根據參考文獻[2]的研究結論,天基觀測要想超過現有的觀測網絡,至少要在8°×10°的格網上達到2.5ppm的月平均精度。這就對觀測儀器提出了很高的要求,根據相關研究[5],要使反演結果達到如此高的精度,必須采用超高光譜分辨率的觀測設備。
大氣主要溫室氣體的高精度探測對探測儀器的光譜分辨率、譜段、空間分辨率以及信噪比、穩定性等技術指標均有一定的要求,而這些要求均是相互制約的。美國OCO-2和日本GOSAT溫室衛星分別采用光柵分光方案和傅里葉干涉方案,而目前正在快速發展的空間外差技術也是一種可以獲取高光譜分辨率的技術,這三種方案都在滿足技術指標需求的基礎上分別具有各自的技術特點[6-10],如表1所示:
表1 超光譜分光技術方案特點對比

Tab.1 Comparison of the characteristics of hyperspectral Spectroscopy
空間外差光譜技術原理如圖1所示,該技術采用衍射光柵代替傳統邁克爾遜干涉儀中的平面鏡,入射光源經準直鏡頭后轉化為具有一定視場角的平行光束入射至分束器,被分光后形成能量近似相等的兩束相干光束,經兩臂光柵衍射后光束再次返回至分束器并發生干涉,干涉條紋經成像鏡頭比例縮放后由探測器接收。空間外差光譜技術通過頻率外差的調制方式,利用光柵衍射方程和空間調制原理,可在相對較窄的光譜范圍內獲得極高的光譜分辨率,與傳統干涉測量從零頻起始相比,具有任意波段選頻和易于滿足采樣定理要求的特點[11-14]。

圖1 空間外差光譜儀原理
GMI采用空間外差光譜技術原理進行載荷研制,利用大氣的吸收特性,探測各溫室氣體吸收波段內的光譜信息(由干涉圖復原光譜后得到),經光譜/輻射定標后得到光譜輻亮度值,其值的大小跟吸收氣體的濃度信息相關,可以反演出溫室氣體在大氣中的含量。GMI載荷在軌觀測數據經地面數據系統處理后可獲取的各級產品及功能為:
1)采用空間外差干涉儀進行超光譜分光,在軌探測O2(760nm)、CO2(1 575nm、2 050nm)、CH4(1 640nm)四個光譜通道的干涉圖數據,得到0級數據產品;
2)通過對干涉圖進行誤差修正、傅里葉變換等數據預處理獲得目標氣體超分辨吸收光譜,并加載光譜及輻射定標系數,得到載荷的1級數據產品(輻亮度光譜);
3)利用物理模型對1級產品進行定量反演,獲取氣體柱濃度數據(2級產品),并進行月平均計算,得到全球溫室氣體濃度分布(3級產品);
4)將3級產品提供給相關用戶,從而實現相應的溫室氣體“源”與“匯”分析,并開展氣候等方面的科學研究。
GMI在軌工作原理如圖2所示。
大氣主要溫室氣體監測儀主體光學系統依據功能在組成上分為五部分(如圖3所示):

圖2 大氣主要溫室氣體監測儀探測系統流程圖

圖3 大氣主要溫室氣體監測儀總體光學布局
1)望遠系統。滿足系統地面分辨率指標(視場角)、系統信噪比的要求(口徑),并提供來自目標的平行光束。
2)分色組件。將不同波段的光譜輸入至各通道準直中繼系統內。
3)準直中繼系統。將一體化膠合干涉儀壓縮在適當的尺寸和質量范圍,將望遠出瞳出射的平行光準直為滿足干涉儀要求的有效通光口徑和視場角的平行光,且出瞳在光柵面上。
4)空間外差干涉儀。由分束器、隔片、擴視場棱鏡、光柵等十個光學元件膠合而成。
5)成像系統。要求具備特定的縮放比,將干涉條紋成像在焦平面上。
根據GMI的各項技術指標要求,共分為四個單機:①光機頭部(GP601)位于有效載荷艙,是儀器的信息獲取單元,光機頭部包含儀器的光學系統、定標系統、二維指向系統以及四路光譜儀的電子學系統;②信息處理器(GP602)是儀器的主要控制單元,它用于實現儀器的工作模式與狀態管理;③驅動控制器箱(GP603)用于實現二維指向鏡的驅動和控制;④溫控箱(GP604)用于實現儀器光機頭部關鍵部位的溫度閉環控制,并收集其溫度信息。系統單機組成框圖如圖4所示:

圖4 大氣主要溫室氣體監測儀單機組成框
GMI依據在軌探測要求,載荷共設計有三種工作模式:觀測模式、定標模式和待機模式。根據地表情況,觀測模式分為陸地模式和海洋模式,其中陸地模式采用天底觀測方式(利用二維指向機構進行穿軌方向擺掃取點觀測,沿軌實時補償),海洋模式采用耀斑觀測方式(利用二維指向機構進行實時跟蹤耀斑)。定標模式主要利用載荷自帶的定標裝置開展周期性星上光譜及輻射定標。載荷處于非光照區時,進行待機模式。
GMI是我國首臺基于SHS新體制原理的星載超光譜遙感探測儀器,面臨多項技術、工藝、實驗等方面問題需攻克,這里重點介紹載荷研制過程突破的三項代表性的關鍵技術。
外差干涉儀單元是GMI的載荷的核心部件,決定了儀器的光譜分辨能力、光譜范圍等性能指標,由分束器、光柵、擴視場棱鏡等組成。在空間環境應用中,干涉儀要受到沖擊、振動、溫度梯度變化以及輻照等諸多因素的影響,需要干涉儀具有較高的穩定性;此外在載荷研制過程中,干涉儀由于部件多,需減少裝調結構復雜程度。為解決上述問題,將外差干涉儀多部件進行一體化集成設計,將干涉儀設計成十部件,采用專用光膠及自研的膠合調整設備進行一體化組合,減少了大量的固定調整機構及干涉儀的體積和質量,并且整個干涉儀是一個整體,一旦膠合完成,就無需再進行光路調整,也大大提高了系統的可靠性。一體化集成外差干涉儀膠合示意圖和實物圖如圖5所示。

圖5 一體化集成外差干涉儀(左圖:干涉儀膠合示意;右圖:干涉儀實物)
一體化集成外差干涉儀對應力敏感,要求無應力安裝,同時要求安裝結構應當具備較高的剛度,連接結構具有較強的抗振性。此外,結構設計需要保證光學基準到結構基準的轉移。因此,設計了一體化的安裝基座,利用工裝將一體化干涉儀單元固定后,在其四周包括壓片的底面上均灌入硅膠,形成緩沖層,并在安裝過程中全程采用Zygo干涉儀檢測安裝應力和固化應力。
溫室氣體反演的工作波段決定其在陸地和海洋工作方式的不一致性。近紅外是進行溫室氣體探測和反演的光譜波段,與陸地表面漫反射方式的不同,海洋水體在這一波段除鏡面反射外無離水輻射,若采用陸地的垂直或任意角度觀測方式,由于無法獲取有效下墊面輻射信號,而使得海洋上方溫室氣體無法反演。針對海洋條件的下墊面這一反射特性,設計了實時測量水體鏡面反射工作模式,即海洋耀斑觀測。
耀斑跟蹤主要根據衛星平臺實時提供的軌道參數、衛星姿態以及時間來計算太陽、衛星的矢量夾角,然后采用二分法計算地心慣性坐標系下的耀斑矢量,將其轉換到衛星本體坐標系后計算二維指向鏡指向耀斑觀測角度,然后控制二維指向鏡指向耀斑觀測點(如圖6所示)。地面利用STK相關數據對耀斑跟蹤模式進行了驗證,精度滿足0.05°。

圖6 海洋耀斑實時跟蹤計算流程
對于高精度的大氣溫室氣體反演,不僅需要載荷具有高的信噪比和光譜分辨率,高精度的遙感器定標也同樣不可或缺。GMI星上定標方案采用高穩定度的太陽光作為定標光源。通過太陽照明定標器建立空間級大面積輻射標準源,在載荷光路的最前端充滿其觀測孔徑和視場,實現端到端的全光路定標。載荷在進行星上定標時,二維掃描機構從天底觀測指向調整角度對準星上定標系統,從而將定標光源太陽光導入載荷望遠鏡開始進行定標模式數據采集,為監視漫反射衰變及測量儀器本底,分別設計了比輻射計和光陷阱裝置。如圖7所示。

圖7 GMI星上定標裝置示意
GMI星上定標包括光譜定標與輻射定標,兩者均采用同一星上定標裝置,定標時間都選取在衛星過南極區域附近。對于輻射定標而言,定標時間選取需滿足陽光能夠入射到定標裝置,且陽光未受大氣吸收影響。光譜定標時間選取滿足陽光能夠入射到定標裝置,且陽光切過大氣層高度范圍為10~100km。
對于星載溫室氣體探測而言,載荷的光譜分辨率和信噪比是兩項最為核心的指標,影響到氣體柱濃度反演精度水平。此外,在載荷發射之前,需模擬氣體吸收環境,利用載荷進行實測數據獲取,能夠綜合反演儀器的探測能力。GMI在研制過程中,針對儀器技術特點,分別利用本單位研制的超光譜掃描定標裝置以及大氣環境模擬定標倉等專用設備開展了光譜定標以及吸收光譜測試等實驗。
大氣主要溫室氣體監測儀載荷光譜定標采用超光譜掃描定標方案[15-16]:三臺激光器發出的單色光分別經起偏、功率穩定、空間濾波后導入到積分球中,經積分球輸出單色、可調諧、高亮度、均勻的輻亮度光源(如圖8所示);分別在儀器波段范圍調諧不同輸出單色光,獲取對應的干涉數據,完成光譜定標。該定標方法具備波長調諧精度高(1pm)、波長輸出絕對精度高(pm級)、光譜線寬窄(MHZ級)、功率輸出穩定等特點,能夠滿足大氣主要溫室氣體監測儀超光譜定標精度要求。
通過入射不同波長的單色光采集不同頻率干涉圖,建立干涉條紋頻率f(光譜點)與入射光波數(cm–1)之間(縱坐標)對應關系,從而計算各光譜點對應波數(cm–1)值,完成波長定標系數的獲取。圖9為GMI的1 575nm(CO2弱吸收帶)通道不同波長單色光掃描結果,擬合后光譜定標方程為:
= –0.011 0+6 390.733


圖8 GMI超光譜定標示意

圖9 1 575nm通道光譜掃描結果
由于單色光帶寬可忽略,經載荷探測并光譜復原后的結果近似Sinc函數,即以極大值為中心呈振蕩衰減,逐漸趨于零。將上述各單色光光譜歸一化后,極大值移到同一點,此時單色光光譜即為儀器線型函數(ILS),采用光譜半峰全寬(FWHM)值為儀器的光譜分辨率,如圖10所示。結果表明儀器光譜范圍內各波數均滿足光譜分辨率均小于0.27cm–1,并且在光譜范圍內具有較好的一致性。

圖10 1 575nm光譜通道儀器線型函數結果
為進行地面吸收光譜測試,研制了大氣環境模擬定標倉裝置[17-18],包括:積分球輻射源(充氮處理,剔除了空氣中O2、CO2、H2O的干擾)、5m長光程吸收池,溫度控制單元、配氣單元等。該裝置配氣精度優于2%,溫度控制精度優于0.5°。基于大氣模擬定標倉的吸收光譜測試實驗示意如圖11所示:首先利用抽氣設備把大氣環境模擬定標倉抽取到高真空狀態,進行背景光譜測量;然后利用配氣設備進行溫室氣體標準濃度的配比,并利用溫度控制設備進行溫度控制,待溫、壓等參數穩定后,載荷進行吸收光譜的測量,根據目標光譜與背景光譜獲取實測透過率光譜。

圖11 大氣環境模擬定標倉實驗示意
根據朗伯-比爾定律,輻射能量經過大氣吸收后的理論透過率計算公式為:

式中為大氣吸收截面;為大氣濃度;為大氣吸收程長。
大氣吸收截面的計算條件為載荷測量實際透過率時吸收池狀態,根據Hitran數據庫計算各通道吸收截面。根據理想氣體狀態方程、目標氣體壓強、氣體實際溫度為,計算目標氣體濃度。將計算出的透過率光譜與相應通道的儀器線型函數進行卷積,得到各通道理論透過率。圖12為GMI的1 575nm(CO2弱吸收帶)通道實測吸收光譜與理論光譜的結果對比圖。
對理論透過率光譜和實測透過率光譜的主要吸收峰位置偏差進行統計,結果如圖13所示。吸收峰位置最大偏差<0.03cm–1,平均偏差為達到0.008 3cm–1,測試結果表明GMI測量透過率光譜與理論透過率光譜一致性較好,吸收峰深度吻合、吸收峰位置對應準確。

圖12 1 575nm(CO2)通道理論光譜和實測光譜結果

圖13 1 575nm(CO2)通道理論光譜和實測光譜吸收峰位置偏差統計
我國溫室氣體星載探測已實現了從無到有的質突破,必將會在大氣環境、氣候研究等方面發揮重大作用。但隨著下一代溫室氣體探測新的需求,如實現對重點工業區(點源目標)的探測、同一目標探測時間間隔小于1天、能夠滿足碳排放清單的制作需求等方面,對溫室氣體載荷提出了更高的要求。從當前的應用需求和技術發展來看,未來CO2、CH4及其他溫室氣體探測技術的發展主要向以下幾個方面發展趨勢:
1)高光譜分辨率,提高探測精度;
2)高空間分辨率,地面分辨率達到2km×2 km;
3)寬覆蓋范圍,覆蓋寬度在1 000km以上;
4)高信噪比,提高反演精度,滿足1%變化量的探測靈敏度;
5)對流層及中間層數據同步獲取,提高廓線水平;
6)短覆蓋周期,監視溫室氣體短期內的變化情況,可利用衛星星座技術。
[1] 孫允珠, 蔣光偉, 李云端, 等. 高光譜觀測衛星及應用前景[J]. 上海航天, 2017, 34(3): 1-12. SUN Yunzhu, JIANG Guangwei, LI Yunduan, et al. Aerospace Shanghai, 2017, 34(3): 1-12. (in Chinese)
[2] RAYNER P J, OBRIEN D M. The Utility of Remotely Sensed CO2Concentration Data in Surface Source Inversions[J]. Geophysical Letters, 2001, 28(1): 175-178.
[3] HARTMUT B, DAVID B, BRIAN C, et al. Global Characterization of CO2Column Retrievals from Shortwave-infrared Satellite Observations of the Orbiting Carbon Observatory-2 Mission[J]. Remote Sensing, 2011, 3(2): 270-304.
[4] 葉松, 熊偉, 喬延利, 等. 空間外差光譜儀干涉圖數據處理[J]. 光譜學與光譜分析, 2009, 29(3): 848-852. YE Song, XIONG Wei, QIAO Yanli, et al. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(3): 848-852. (in Chinese)
[5] JIANPING M, RANDOLPH K. Sensitivity Studies for Space-based Measurement of Atmospheric Total Column Carbon Dioxide by Reflected Sunlight[J]. Applied Optics, 2004, 43(4): 914-927.
[6] 熊偉, 施海亮, 俞能海. 空間外差干涉光譜儀儀器線型函數測量新方法研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2015, 35(1): 267-271. XIONG Wei, SHI Hailiang, YU Nenghai. Study on a New Method for Instrumental Line Shape Measurement of Spatial Heterodyne Interference Spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(1): 267-271. (in Chinese)
[7] 施海亮, 熊偉, 鄒銘敏, 等. 空間外差光譜儀定標方法研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2010, 30(6): 1683-1687. SHI Hailiang, XIONG Wei, ZUO Mingmin, et al. Study on Calibration Method of Spatial Heterodyne Spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010, 30(6): 1683-1687. (in Chinese)
[8] 施海亮. 空間外差光譜儀定標技術研究[D]. 合肥: 中國科學院安徽光學精密機械研究所, 2012. SHI Hailiang. Research on Calibration of Spatial Heterodyne Spectrometer[D]. Hefei: Anhui Institute of Optical Precision Machinery, Chinese Academy of Sciences, 2012. (in Chinese)
[9] CHRISTOPH R E, DAVID D B, JOHN M H. Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne Spectroscopy (DASH): Concept and Experimental Demonstration[J]. Applied Optics, 2007, 46(29): 7297-7307.
[10] JOHN M H, CHRISTOPH R E, DAVID D B, et al. Design and Laboratory Tests of a Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne (DASH) Interferometer for Upper Atmospheric Wind and Temperature Observations[J]. Optics Express, 2010, 18(25): 26430-26440.
[11] ROESLER F L, HARLANDER J. Spatial Heterodyne Spectroscopy for Atmospheric Remote Sensing[J]. SPIE, 1999: 337-345.
[12] HARLANDER J, ROESLER F L, ENGLERT C R, et al. Robust Monolithic Ultraviolet Interferometer for the Shimmer Instrument on STPSat-1[J]. Applied Optics, 2003, 42(15): 2829-2834.
[13] CHRISTOPH R E, JOHN M H. Flatfielding in Spatial Heterodyne Spectroscopy[J]. Applied Optics, 2006, 45(19): 4583-4590.
[14] CHRISTOPH R E, JOHN M H, JOEL G C, et al. Correction of Phase Distortion in Spatial Heterodyne Spectroscopy[J]. Applied Optics, 2004, 43(36): 6680-6687.
[15] 李志偉, 熊偉, 施海亮, 等. 空間外差光譜儀實驗室定標技術研究[J]. 光學學報, 2014, 34(4): 273-279. LI Zhiwei, XIONG Wei, SHI Hailiang, et al. Study on Laboratory Calibration of Spatial Heterodyne Spcetrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(4): 273-279. (in Chinese)
[16] 沈靜, 熊偉, 施海亮, 等. 用于風場探測的非對稱空間外差干涉數據處理方法研究[J]. 光譜學與光譜析, 2016, 36(9): 3014-3019. SHEN Jing, XIONG Wei, SHI Hailiang, et al. Data Processing Method of Asymmetric Spatial Heterodyne Interferogram for Wind Messurement[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(9): 3014-3019. (in Chinese)
[17] 李志偉, 熊偉, 羅海燕, 等. 非對稱空間外差光譜技術研究[J]. 光譜學與光譜析, 2016, 36(7): 2291-2295. LI Zhiwei, XIONG Wei, LUO Haiyan, et al. Study on Asymmetric Spatial Heterodyne Spectroccopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(7): 2291-2295. (in Chinese)
[18] 沈靜, 熊偉, 施海亮, 等. 測風非對稱空間外差干涉儀絕對相位漂移分析及校正[J]. 光學學報, 2017(4): 354-362. SHEN Jing, XIONG Wei, SHI Hailiang, et al. Absolute Phase Drift Analysis and Correction of Asymmetric Spatial Heterodyne Interferometer for Wind Detection[J]. Acta Optica Sinica, 2017(4): 354-362. (in Chinese)
Hyperspectral Greenhouse Gases Monitor Instrument (GMI) for Spaceborne Payload
XIONG Wei1,2
(1 Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)(2 Key laboratory of Optical Calibration and Characterization of Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
GF-5 Satellite, which has six payloads, is the first high spectral resolution satellite in the Chinese High Resolution Major Special Projects. The Main Greenhouse Gases Monitor Instrument (GMI) is one of the payloads to detect CO2and CH4. The key technical principle of the payload is spatial heterodyne spectroscopy (SHS), which has the characteristic of no moving parts, hyperspectral resolution and high throughput. GMI is the first greenhouse payload based on SHS and is totally developed in China. The detection principle, conceptual design and operating mode on orbit are given. The key technologies such as integrated gluing, on-orbit calibration and ocean flare observing are resolved in the project. The calibration on ground and performance test are introduced and the calibration and test data are analyzed. The results show that the payload has achieved the same advanced level with other similar international payloads. Some specific advices about follow-up greenhouse detection are given.
greenhouse gases; spatial heterodyne spectroscopy; hyperspectral; heterodyne interferometer; GF-5 satellite
O433.1
A
1009-8518(2018)03-0014-11
10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.002
熊偉,1975年生,博士,研究員,大氣主要溫室氣體監測儀載荷主任設計師,主要從事超光譜遙感探測技術研究。E-mail:frank@aiofm.ac.cn。
2018-04-05
國家高分重大科技專項
(編輯:劉穎)