鄭玉權(quán)

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

20世紀50年代以來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的高速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活排放出的廢氣、微塵越來越多，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氟氯烴化合物(CFCS)等，這些氣體可讓太陽短波輻射自由通過，同時強烈吸收地面和空氣放出的紅外線長波輻射，從而造成近地層溫度升高，我們稱這些氣體為溫室氣體，并稱這種增溫為溫室效應。隨著人為產(chǎn)生的溫室氣體排放量不斷增加，氣候變暖的趨勢日益明顯，人們擔憂溫室效應帶來的全球生態(tài)系統(tǒng)的變化最終將破壞生態(tài)平衡，從而威脅人類的健康和生存，因此，全球變暖受到了世界各國的普遍關(guān)注。

有數(shù)據(jù)表明，當前全球平均氣溫比工業(yè)化革命前升高了0.8℃，造成這一現(xiàn)象的“罪魁禍首”是CO2排放量的不斷增加。預計到本世紀中葉，地球環(huán)境溫度將突破上升2℃的“安全底線”，北緯60°的增幅可能達到3.2～6.6℃，全球氣候變化的負面效應開始變得非常明顯，物種的滅絕速度和數(shù)量急劇上升，數(shù)億人的生存受到威脅。因此，如何降低溫室氣體排放量，降低全球溫度上升速度已成為世界各國的重要議題。

在2009年的哥本哈根世界氣候大會上，英美等國從減排承諾、減排衡量與核查標準等多方面公開非難、要求中國尋找一種方式來向世界證明自己減排的執(zhí)行情況，即中國要實現(xiàn)減排的可測量、可報告、可核查，要拿出有說服力的數(shù)據(jù)面向社會和世界，也就是說中國必須發(fā)展自己的溫室氣體遙感監(jiān)測系統(tǒng)來獲取本國和世界其他國家的溫室氣體排放數(shù)據(jù)。

2 溫室氣體遙感觀測發(fā)展概況

King［2］和 Kaplan 等人［3］分別于 1956 年和1959年提出了衛(wèi)星紅外大氣探測原理，據(jù)此美國于上世紀70年代設(shè)計了高分辨率紅外探測器(HIRS)，成為衛(wèi)星遙感用于大氣探測業(yè)務化的標志［4］。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，光譜分辨率越來越高，傳感器的探測能力也逐步得到提高。大氣痕量分子光譜儀(ATMOS)是首次采用臨邊探測方式的高分辨率傅里葉變換(FTIR)星載傳感器，它使人類進入了從太空觀測大氣的新時代［5］。

1996年8月發(fā)射的先進對地觀測平臺(ADEOS)上的溫室氣體干涉測量計(IMG)是首次采用天底觀測方式進行痕量氣體探測的星載高光譜FTIR傳感器［5］。IMG傳感器由日本資源觀測系統(tǒng)組織(JAROS)負責研制，它的任務是:精確測定表面溫度、大氣溫度廓線、大氣組分CH4、H2O、N2O、CO2和 O3混合比廓線［7］。1997 年 6 月由于太陽能電板的原因，結(jié)束了其使命。

進入21世紀以來，隨著全球氣候變化趨勢的不斷加劇，國際社會對溫室氣體排放的關(guān)注也越來越高，美國和歐洲等航天發(fā)達國家均開展了針對溫室氣體監(jiān)測的星載紅外高光譜技術(shù)的研究，多顆高光譜探測衛(wèi)星進入運行軌道，并開始發(fā)揮重要作用。

目前在軌運行的傳感器有:

1999年搭載TERRA衛(wèi)星發(fā)射的對流層污染測量儀(MOPITT)［8］;

2002年搭載地球觀測系統(tǒng)(EOS)發(fā)射的大氣紅外探測儀(AIRS)［9］;

2002年3月1日，歐空局成功地發(fā)射了ENVISAT-1衛(wèi)星，其攜帶了分辨率達0.035 cm-1的主動大氣探測麥克爾遜干涉儀(MIPAS)和大氣痕量氣體掃描成像光譜儀(SCIAMACHY)［10］;

2003年8月13日，加拿大航天局發(fā)射了SCISAT-1微小衛(wèi)星，該衛(wèi)星的主載荷為一臺分辨率為0.02 cm-1的大氣化學實驗傅里葉變換光譜儀(ACE-FTS)［11］;

2004年7月15日，美國NASA發(fā)射了對地觀測衛(wèi)星系列中的AURA衛(wèi)星，其中包含一臺分辨率為0.03 cm-1的傅里葉變換紅外光譜儀［12］;

2006年發(fā)射了搭載METOP平臺的紅外大氣探測干涉儀(IASI)［13］;

2009年1月21日，日本發(fā)射的GOSAT衛(wèi)星搭載了一臺溫室氣體觀測探測器(Thermal and Near-infrared Sensor for Carbon Observation，TANSO)，該衛(wèi)星是一顆用來監(jiān)測全球大氣中CO2和CH4含量的探測衛(wèi)星［14］;

2009年2月，美國NASA第一顆天基大氣CO2觀測專用衛(wèi)星OCO(Orbiting Carbon Observatory)發(fā)射失敗，其中經(jīng)過8年研制的高光譜儀器是世界各國研究星載溫室氣體探測儀器的重要經(jīng)驗和基礎(chǔ)，OCO-2計劃于2013年再度發(fā)射［15］;

中德合作建立氣候任務的CarbonSat衛(wèi)星星座也在醞釀當中，星座中包括5顆星，能夠?qū)崿F(xiàn)每天無縫觀測全球各地CO2和CH4含量一次［16］。

圖1 國際主要CO2探測儀狀況圖Fig.1 Status map of international main green house gases remote sensor

表1 溫室氣體觀測的主要遙感儀器參數(shù)對比Tab.1 Parameter contrast of main greenhouse gas remote sensing instruments

在以上這些儀器中，ENVISAT-1平臺上的SCAMACHY首次演示驗證了衛(wèi)星觀測溫室氣體的可行性，GOSAT和OCO衛(wèi)星在技術(shù)指標上高于SCAMACHY，測量溫室氣體的精度得到很大提高，表1列出了近幾年能夠用于觀測溫室氣體的遙感儀器參數(shù)，圖1為各衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)的CO2測量精度，由表1和圖1可以看到，OCO的CO2測量精度最高，達到1×10-6(相當于0.3%)，GOSAT的測量精度只有4×10-6，SCIAMACHY作為第一臺痕量氣體探測儀，驗證了空間軌道測量痕量氣體的可行性，但 CO2測量精度較低，只有14×10-6，需要進一步提高指標，改進測量精度。為了進一步了解各儀器，這里分別簡要介紹儀器的工作方式和結(jié)構(gòu)。

2.1 SCIAMACHY

SCIAMACHY是搭載在歐洲航天局(ESA)ENVISAT衛(wèi)星上的有效載荷，于2002年3月發(fā)射。SCIAMACHY結(jié)合色散棱鏡和光柵實現(xiàn)高分辨率光譜大氣觀測，其測量的光譜從紫外到近紅外(240～1 750 nm、1 940～2 040 nm、2 265～2 380 nm)，光譜分辨率為0.2～1.5 nm，輻射率相對誤差＜1%，絕對誤差＜2% ～4%。SCIAMACHY的主要技術(shù)指標如表2所示［17］。

表2 SCIAMACHY的主要技術(shù)指標Tab.2 Key technical indexes of SCIAMACHY

Table continued

該儀器采用天底、臨邊以及太陽/月亮掩星3種探測方式進行觀測，其中由天底探測資料通過差分吸收(DOAS，Differential Optical Absorption Spectroscopy)方法反演大氣微量氣體最為引人矚目。目前國際上已有大量關(guān)于DOAS反演大氣溫室氣體的研究成果發(fā)表，反演的氣體包括:O3，O2，O2(1D)，O4，BrO，OClO，ClO，SO2，H2CO，NO，NO2，NO3，CO，CO2，CH4，H2O，N2O。其中 CH4的反演精度可達到1%，CO2的反演結(jié)果受氣溶膠影響，其精度有待于進一步驗證。

在Nadir觀測方式下，SCIAMACHY只觀測航天器與星下點之間的大氣，見圖2。測量的瞬時視場為0.045°×1.8°，掃描區(qū)域關(guān)于穿軌對稱±500 km，每次掃描穿軌1 000 km。前向掃描耗時4 s，緊接著是一個快速的回掃。S/C速度保證了下一次掃描可以與本次掃描所覆蓋的區(qū)域無縫銜接。根據(jù)62.5 ms的積分時間可以得到掃描方向上16 km的空間分辨率。飛行方向的空間分辨率為25 km，由1.8°的瞬時視場和800 km的軌道高度決定。Nadir掃描方式可以測量地球表面和大氣的反射光、背向散射光，從而得到大氣中微量氣體、氣溶膠和云的信息。

Nadir觀測方式不能提供大氣層垂直分布信息，所以需要Limb觀測方式來彌補。圖2中瞬時視場較寬的一側(cè)(圖中黑色區(qū)域)與地球水平線平行。此時1.8°的視場角對應著100 km的觀察物長度，瞬時視場較窄的一側(cè)(0.045°)提供了對豎直方向2.6 km厚度空氣層的觀測。為了得到總計100 km的高度觀測，需要通過俯仰掃描鏡的運動實現(xiàn)從水平面起經(jīng)過34步的逐層豎直掃描。

圖2 SCIAMACHY的3種工作方式Fig.2 Three work modes of SCIAMACHY

為了在Limb方式中觀測到用Nadir方式觀測的同一大氣層，需要水平掃描1 000 km?？紤]到地球自轉(zhuǎn)以及對同一大氣觀測時Limb方式和Nadir方式產(chǎn)生的時間差，在進行Limb方式觀測時需要方位偏置。

掩日、掩月測量是指當太陽或月亮正好在SCIAMACHY的視野之內(nèi)時進行的測量，這時的掃描方式和Limb完全一樣，見圖2。掩日觀測是對吸收光譜觀測的最理想方式，它能夠在2 s內(nèi)對太陽進行徹底掃描。較強的光通量使得探測器在較短的積分時間內(nèi)就能完成工作，所以在這種工作方式下能夠得到較高的分辨率，使用相關(guān)的算法可以得到豎直方向上1 km的空間分辨率。掩月測量與掩日測量類似，但二者的亮度差別較大［18］。

SCIAMACHY儀器主要由3部分組成［19］:

(1)光學組件(Optical Assembly):SCIAMACHY中最復雜的部分，也是尺寸最大的部分。入射的電磁波被光學系統(tǒng)接收，按波長分為8個通道，并被探測器轉(zhuǎn)為電信號輸出。

表3 SCIAMACHY的光譜波段設(shè)置Tab.3 Specification of spectrometer in channels and detectors

(2)電子學組件(Electronic Assembly):對整個儀器進行供電、控制和數(shù)據(jù)處理。

(3)冷卻組件(Radiant Cooler Assembly):將探測器冷卻到固定的工作溫度。

2.2 AIRS

AIRS衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射，用于預測天氣，6年的使用的數(shù)據(jù)表明，該衛(wèi)星可以監(jiān)測天氣和氣候的變化過程并且可以觀測季節(jié)性變化的趨勢。該儀器是超光譜紅外儀器，有2 378個紅外通道來測量3.7～15.4 μm波段并且覆蓋區(qū)(footprint)為13.5 km，光譜分辨率約為1 200。對于紅外通道，瞬間視場為0.6°×1.1°，掃描方向是0.6°，軌道高度為 705 km，1.1°相當于在天底時地面上 13.5 km［20］。

AIRS是一個在中遠紅外(3.7～15.4 μm)擁有2 378個通道，在可見近紅外擁有4個通道的高分辨率光譜儀。它是一個擁有高分辨率的光柵光譜儀系統(tǒng)，采用紅外剪切技術(shù)(Cutting-edge infrared technology)產(chǎn)生大氣和地表溫度，水汽和云層的一些屬性信息等。它于2002年5月發(fā)射，用于提供準確和全新的大氣、地面、海洋的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用大氣溫度和紅外光譜之間的關(guān)系研究氣候和大氣的變化。對流層的溫度精度可以達到1 K/km，地表溫度平均精度可以達到0.5 K/km。AIRS的主要技術(shù)指標見表4。

表4 AIRS的主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Key technical indexes of AIRS

圖3 AIRS儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Instrument structure of AIRS

AIRS儀器如圖3所示，它覆蓋的波段為3.74～4.61 μm、6.20 ～8.22 μm 和8.8 ～15.4 μm，分辨率為λ/Δλ=1 200，具有2 378個光譜采樣。為了調(diào)節(jié)空間覆蓋范圍和校準水平，它包含掃描鏡和校準器。

圖4 AIRS的組件構(gòu)成Fig.4 Structure of AIRS

如圖4所示，掃描鏡旋轉(zhuǎn)360°，每隔2.667 s就可以產(chǎn)生一個掃描線。掃描鏡有兩個速度:在前2 s時，旋轉(zhuǎn)速度為49.5°/s，產(chǎn)生一條具有90個地面區(qū)域的掃描線，每一個地面區(qū)域的瞬時視場為1.1°。在剩余的0.67 s中，掃描鏡完成具有4個獨立視場的整體旋轉(zhuǎn)，視場包括310 K的輻射定標器，光譜參考光源，光度定標器(photometric calibrator)。VIS/NIR光度計的瞬視場為0.185°，它與IR分光計的視軸平行，從而同時觀測可見和紅外場景的測量。

IR分光計的衍射光柵將整個IR段的光譜分光到17線陣列HgCdTe探測器上，采用光柵的分光級次是3～11級之間。每一個線陣列兩行由元素(N=94～192)組成，根據(jù)需要選擇應用其中一列還是兩列。光譜儀在兩側(cè)采用被動的熱控方式將溫度控制在150 K，IR焦面被冷卻至60 K，掃描鏡被冷卻至273 K。IR光學元件和探測器的冷卻可以實現(xiàn)儀器所需的靈敏度。VIS/NIR光度計使用光學濾波器來得到400～1 000 nm的光譜帶。VIS/NIR光度計無需冷卻，工作溫度為293～300 K。從IR分光計和VIS/NIR光度計出來的信號通過信號與數(shù)據(jù)處理電路。另外，AIRS儀器包含指令和控制電路。

圖5 AIRS的定標機構(gòu)與焦面組件Fig.5 Scan head assembly and focal plane array layout of AIRS

AIRS在3.74～15.4 μm之間共有3個通道，平均分辨率約為1 200，實際是從1 086～1 570，探測的3個波帶為:3.74～4.61 μm、6.20～8.22 μm和8.8～15.4 μm。可見光的4個通道中每個都有9 pixel的光度計，瞬視場為0.185°，分辨率為2.3 km，采用濾光片作為分光元件。AIRS儀器的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6［21-23］。

圖6 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of optical system

2.3 IASI

紅外大氣探測干涉儀IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)是歐洲氣象極軌衛(wèi)星METOP的有效載荷(圖7)，于2006年10月發(fā)射。IASI能夠提供大氣、陸地、海洋的精確數(shù)據(jù)，可預報天氣并對氣候進行研究。IASI提供的垂直方向1 km內(nèi)的濕度精度為10%、溫度精度為1 K［24-25］。

圖7 IASI儀器照片F(xiàn)ig.7 Photo of IASI instrument

IASI探測儀基于被動紅外探測，它由一臺精確定標，工作波段為3.7～15.5 μm的傅里葉變換光譜儀(TANSO-FTS)和一臺工作波段在10.3～12.5 μm的紅外成像儀組成。光譜儀基于邁克爾遜干涉原理，干涉圖像在星上由數(shù)據(jù)處理單元完成逆傅里葉變換和輻射定標。IASI的主要技術(shù)指標如表5所示。

表5 IASI的主要技術(shù)參數(shù)Tab.5 Specification of IASI

IASI對地球的掃描觀測(見圖8)是通過一個具有兩個轉(zhuǎn)軸的掃描平面鏡實現(xiàn)的。主軸α軸實現(xiàn)穿軌掃描，次軸β軸補償凝視期間衛(wèi)星的速度，運動補償速度由α角決定。被探測區(qū)域在衛(wèi)星的掃描駐留時間內(nèi)保持穩(wěn)定，對干涉儀的光譜分析至關(guān)重要，該儀器的穩(wěn)像精度優(yōu)于0.15 mrad。視場角為 ±48°20'，在8 s內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)全視場掃描，可對深空的和模擬黑體各觀測一次。

圖8 IASI的掃描工作方式Fig.8 Scanning work mode of IASI

IASI的光學系統(tǒng)中位于干涉儀之后的離軸反射鏡將地物成像在一個具有4個孔的視場光闌上，光闌是cold optics的第一個光學面。cold op-tics系統(tǒng)將入射光分為3個波段，每個波段的光有對應的孔徑光闌，它們和干涉儀的分束器相對于場景和成像鏡共軛，見圖9。

圖9 IASI光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Optical system structure of IASI

2.4 TANSO

GOSAT是一顆用來監(jiān)測全球大氣中CO2和CH4含量的探測衛(wèi)星，其中進行溫室氣體觀測的探測器 TANSO，主要包含氣溶膠成像儀TANSO-CAI(Cloud and Aerosol Imager)和TANSOFTS。TANSO-FTS覆蓋0.75 ～14.3 μm 波段的大氣光譜，用以精確測量溫室氣體CO2的濃度分布。0.76 μm波段用來獲取氧氣濃度。1.6和2.06 μm波段用來觀測 CO2濃度，1.6 μm 波段同時用來觀測 CH4濃度。5.5～14 μm波段用來再次獲得CO2、CH4、水汽和大氣溫度，以及CO2與CH4垂直廓線。圖10為 TANSO-FTS獲取全球CO2分布的過程。TANSO-FTS儀器的主要技術(shù)指標見表 6，光譜范圍較寬，光譜分辨率為0.2 cm-1。

圖10 TANSO-FTS獲取全球CO2分布的過程Fig.10 TANSO-FTS data retrieval flow

表6 TANSO-FTS主要性能指標Tab.6 Specifications of TANSO-FTS

圖11 TANSO-FTS光學系統(tǒng)示意圖Fig.11 Optical schematics of TANSO-FTS

TANSO-FTS的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示，由指向反射鏡、FTS變換模塊、雙離軸拋物面系統(tǒng)和4臺光譜儀組成，入射光經(jīng)過指向反射鏡后，由角錐反射器產(chǎn)生干涉光進入離軸拋物面反射鏡，在拋物面反射鏡的焦面處放置視場光闌限制視場，再經(jīng)過一個短焦離軸拋物面產(chǎn)生準直光，縮小準直光束的孔徑，光束再經(jīng)過3個分束器進入0.76、1.6 和2.06 μm 3 個波段的 TANSO-FTS，采用邁克爾遜干涉儀獲得干涉圖，利用Si和兩塊InGaAs探測器接收干涉圖，熱紅外波段光經(jīng)過成像系統(tǒng)成像在MCT探測器上，MCT探測器采用脈沖管制冷機制冷，兩塊InGaAs探測器采用熱電制冷。FTS的光譜采樣分辨率為0.2 cm-1，能達到的光譜分辨率 FHWM分別為0.6 cm-1和0.27 cm-1。

GOSAT衛(wèi)星還安裝了一臺云和氣溶膠成像儀，用于修正氣溶膠和云對 CO2探測的影響。CAI(見圖12)用于探測FTS掃描區(qū)域云層厚度和空間懸浮物以及CH4對探測造成的影響，因此通過CAI對探測結(jié)果進行修正或者丟棄在云層很厚的情況收集的數(shù)據(jù)。所探測的波段應該是云層和空間懸浮物吸收較小的波段，因此選用了4個波段，4個波段的波長及依據(jù)見表7。CAI的4個通道主要由3臺望遠系統(tǒng)組成，重量為40 kg，功率為100 W。

圖12 TANSO-CAI外形圖與覆蓋寬度Fig.12 Outside view and cover width of TANSO-CAI

表7 TANGO-CAI 4個波段選擇說明Fig.7 Spectral band choice illumination

GOSAT于2009年2月9日傳回了第一批數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)威部門計算結(jié)果顯示:GOSAT的數(shù)據(jù)反演CO2濃度精度并未達到設(shè)計指標［(3～4)×10-6］的要求，初步分析結(jié)果顯示:GOSAT采用對外界使用要求較為嚴格的TANSO-FTS，對定標技術(shù)要求非?？量蹋思夹g(shù)不夠成熟［26-28］。

OCO(Orbiting Carbon Observatory)衛(wèi)星是2009年2月美國NASA發(fā)射的第一個天基大氣CO2觀測衛(wèi)星，歷經(jīng)8年的研發(fā)，全部探測任務耗資2.78億美元，于2002年7月列入NASA地球系統(tǒng)探索計劃。衛(wèi)星整體長為2.12 m，寬為0.94 m，重為441 kg，電功率為 813 W，軌道為705 km太陽同步極地軌道，單軌99 min，回歸周期16 d，設(shè)計壽命為2 a，降交點時間為下午1∶15，與EOS 的 Aqua、Aura、CloudSat、CALIPSO、PARASOL共同工作，獲取地物信息。OCO于2009年2月發(fā)射，但是由于用于保護衛(wèi)星的整流罩發(fā)生故障，導致衛(wèi)星墜入南極洲附近的海域，目前正在進行后續(xù)星(OCO-2)的研制，預計2013年發(fā)射［29］。

為了提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和檢驗數(shù)據(jù)的可靠性，OCO將采取3種標準的觀測模式:天底、閃耀和目標模式，如圖13所示。OCO儀器沒有指向反射鏡，其側(cè)視和俯仰觀測通過衛(wèi)星變姿來完成，整個儀器由1臺望遠鏡和3臺光柵光譜儀組成，望遠鏡是一個孔徑為11 cm的卡塞格林系統(tǒng)，帶有保護窗口，該望遠鏡的F數(shù)為 1.8，口徑為100 mm［30］。

圖13 OCO的3種觀測模式Fig.13 Three observation modes of OCO

圖14 OCO光學系統(tǒng)示意圖與三維結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Optical system schematics and 3D structure diagram of OCO

中繼光學系統(tǒng)包括準直鏡，折疊鏡，二向色分束器，波段分離器，以及二次成像鏡。OCO的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14所示。

每個分光計都包括一個入射狹縫，一個雙透鏡準直器，一個平面反射光柵和一個雙透鏡成像鏡頭。

表8 OCO的主要技術(shù)指標Tab.8 Specifications of OCO

3個分光計都采用同樣的結(jié)構(gòu)并成為一個固定整體，這樣可以提高系統(tǒng)的剛性和熱穩(wěn)定性。它們之間的微小差別表現(xiàn)在鍍膜、透鏡和光柵上，這是由每個通道具有不同的波段特性決定的。

OCO使用3個1 024×1 024焦平面陣列(FPA)分別測量通過每一個分光計的光。測量頻率為3 Hz。在美國研制的OCO儀器中，所采用的探測器是3個 Teledyne H1RG-18 FPA，用一個HyVi SI FPA測量氧氣波段，用兩個 HgCdTe SWIR FPAs測量CO2波段。

探測器的尺寸、最小光譜采樣要求以及視場角確定了系統(tǒng)的焦距和分光計的狹縫尺寸。

OCO光學系統(tǒng)的光傳輸過程如下:平行光進入望遠鏡后聚焦在一個視場光闌上，被準直鏡準直的光進入中繼光學系統(tǒng)，然后通過一個二向色性的光束分束器把不同波段的光分離開來，經(jīng)過一個窄帶濾波器。每個濾波器對每一個波段傳播的光進行選擇濾波，分別透射CO2和O2所感興趣的中心波長±1%的波段而阻擋其他不需要的波段。經(jīng)過濾波器透射的光分別聚焦在各臺分光計的狹縫上，每個狹縫長約3 mm，寬約25 μm，這些細長的狹縫產(chǎn)生一個約0.000 1°寬和0.014 6°長的視場。每臺分光計的入射狹縫前面的都有一個消偏器，用以阻擋那些不需要的偏振光并將其散射回來，而那些進入分光計入射狹縫的光，被一個二組元透射鏡準直，然后被平面反射光柵衍射，經(jīng)過二元件的成像鏡和窄帶的濾波器后被聚焦在二維焦平面陣列上。焦平面陣列的溫度被冷卻至約為180 K，主要用來阻擋來自儀器內(nèi)部的熱輻射。測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)見圖15。

圖15 OCO光學系統(tǒng)觀測結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure diagram of OCO optical system

在每個通道中，被分散開的光譜在每個探測器陣列(FPA)的光譜維方向(spectral dimension)投射在所有的1 024 pixel上。而由于狹縫長度的限制，光在FPA的空間維方向上只投射在大約190 pixel上。OCO探測器使用一個190 pixel中的160 pixel來定義沿著狹縫的視場。在一般的科學操作中，F(xiàn)PA以3 Hz頻率連續(xù)不斷地讀出數(shù)據(jù)。為了降低下傳數(shù)據(jù)速率并提高信噪比，在FPA平行于狹縫維方向相鄰的20 pixel產(chǎn)生8個空間平均光譜。沿著每一個空間平均光譜合并像元的狹縫角視場約為1.8 mrad(0.1°，705 km軌道天底分辨率約為1.3 km)。狹縫窄帶方向的角寬度只有0.14 mrad，將望遠成像系統(tǒng)垂直于狹縫方向的角視場放松到0.6 mrad，可以簡化3個分光計的視軸配準。

除了在空間維上擴展出8個1 024 pixel空間平均光譜，每個分光計也返回4～20個光譜采樣來提提供沿著狹縫方向完整的空間分辨率。每一個完整的分辨率覆蓋了FPA上的220 pixel寬。使用這些完整的空間分辨率顏色條紋來探測空間可變性并監(jiān)測熱輻射和儀器的雜散光，見圖16和圖17［31-33］。

圖16 OCO的分辨率和覆蓋寬度實現(xiàn)方法Fig.16 Resolution and swath realizing method of OCO

圖17 OCO的光譜像元合并方法Fig.17 Spectral pixel admixture method of OCO

3 溫室氣體遙感探測儀器的發(fā)展趨勢

溫室氣體探測是一個長期的觀測過程，當前擬議的中德合作CarbonSat衛(wèi)星星座觀測大氣CO2的工作即針對在短期內(nèi)實現(xiàn)CO2探測的全球覆蓋，從空間分辨率和時間周期兩個方面提出了較高的要求，其能夠在24 h內(nèi)以2 km×2 km的地面分辨率實現(xiàn)全球覆蓋觀測，5顆星的星座協(xié)同工作，一次覆蓋地面達2 500 km。

此外，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的動態(tài)微鏡陣列高光譜儀器也是溫室氣體遙感探測儀器發(fā)展的一個重要方向，這種新型高光譜成像儀可以快速大面積地獲取大氣成分的高信噪比光譜信息［34］。

從當前的應用需求和技術(shù)發(fā)展來看，未來CO2及其他溫室氣體探測技術(shù)的發(fā)展主要向以下幾個方面發(fā)展:

(1)高光譜分辨率，提高觀測精度;

(2)高空間分辨率，地面分辨率達到1 km×1 km;

(3)寬覆蓋范圍，覆蓋寬度在1 000 km以上;

(4)高信噪比，便于后期反演工作;

(5)短覆蓋周期，監(jiān)視溫室氣體短期內(nèi)的變化。

4 結(jié)束語

溫室氣體遙感觀測技術(shù)可以快速、經(jīng)濟、可重復地獲取宏觀尺度上大氣痕量氣體的信息，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測站方式具有無可比擬的優(yōu)勢，歐美發(fā)達國家都相繼開展了溫室氣體遙感探測儀器的研究，以期掌握碳排放量的第一手資料，在國際碳減排談判中占據(jù)主動地位。

國內(nèi)主要有中科院安徽光機所、長春光機所及上海技物所從事該領(lǐng)域的研究工作。其中安徽光機所在中科院重點創(chuàng)新項目的支持下，研究了大氣CO2探測中使用高分辨率紅外光譜的必要性，并且分析了天基高精度大氣CO2探測所需要的工作波段、光譜分辨率和信噪比(SNR)等參數(shù)，以此為基礎(chǔ)研制了空間外差CO2探測儀樣機［35］。

在國家863計劃支持下，中科院長春光機所立足現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，充分借鑒世界先進溫室氣體遙感探測技術(shù)的成功經(jīng)驗，瞄準技術(shù)前沿開展工程研究。相信在相關(guān)科技人員的共同努力下，該項研究將縮短我國在溫室氣體遙感探測儀器方面與世界先進水平的差距。

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