□ 周立勛 藺超 張軍強(qiáng)

中國碳衛(wèi)星究竟有多牛？

□ 周立勛 藺超 張軍強(qiáng)

碳衛(wèi)星工作示意圖

中國首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡稱“碳衛(wèi)星”）經(jīng)平臺(tái)測(cè)試、載荷加熱排污等一系列工作后，其有效載荷于1月12日成功開機(jī)，13日轉(zhuǎn)入在軌觀測(cè)任務(wù)模式并獲取首批觀測(cè)數(shù)據(jù)。

此次獲得的數(shù)據(jù)是通過高光譜二氧化碳監(jiān)測(cè)儀獲取，并經(jīng)過地面處理生成的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收光譜圖，是我國從太空獲取的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收高分辨率光譜圖。首批觀測(cè)數(shù)據(jù)的成功獲取表明碳衛(wèi)星與地面應(yīng)用系統(tǒng)均運(yùn)行良好。衛(wèi)星平臺(tái)按指令準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜指向模式，主載荷高光譜探測(cè)儀工作穩(wěn)定、功能正常、狀態(tài)良好，為后續(xù)科學(xué)家開展大氣二氧化碳高精度反演打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

那么碳衛(wèi)星到底身懷什么樣的絕技，才能夠讓“碳排放”無處遁形？今天讓我們一探究竟。

中國碳衛(wèi)星身負(fù)光榮使命

在節(jié)能減排刻不容緩的形勢(shì)下，為了達(dá)到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標(biāo)（可測(cè)量、可報(bào)告、可核查）和相應(yīng)的計(jì)量方法，各國政府都迫切希望科學(xué)家們能拿出切實(shí)可行的測(cè)量方法和技術(shù)，為全球碳循環(huán)的研究提供可信的數(shù)據(jù)支持。

要在全球和區(qū)域尺度獲取碳循環(huán)研究所需的二氧化碳通量信息，星載二氧化碳探測(cè)技術(shù)成為“嗅碳”的首要突破點(diǎn)，然而極大的技術(shù)難度使目前全球僅有兩顆衛(wèi)星在軌工作：一顆是日本于2009年成功發(fā)射的溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星“呼吸”號(hào)（GOSAT）衛(wèi)星，另一顆是美國2014年發(fā)射的“軌道碳觀測(cè)者”（OCO）-2衛(wèi)星。

2009年，國家遙感中心組織專家組開始中國碳衛(wèi)星的前期戰(zhàn)略研究工作；2011年在863計(jì)劃的支持下“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項(xiàng)目（中國碳衛(wèi)星）正式立項(xiàng)。項(xiàng)目目標(biāo)為研制并發(fā)射一顆“以高光譜二氧化碳探測(cè)儀、多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”，建立高光譜衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證系統(tǒng)，形成對(duì)全球、中國及其他重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到1～4ppm。

無所遁形碳衛(wèi)星如何監(jiān)測(cè)全球二氧化碳濃度

碳衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大氣溫室氣體探測(cè)是基于大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對(duì)吸收光譜的強(qiáng)弱進(jìn)行嚴(yán)格定量測(cè)量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應(yīng)用反演算法即可計(jì)算出衛(wèi)星在觀測(cè)路徑上二氧化碳的柱濃度。

2011年1月26日，日本GOSAT衛(wèi)星拍攝的霧島山火山灰煙柱照片，當(dāng)時(shí)火山活動(dòng)強(qiáng)度尚未達(dá)到令當(dāng)局發(fā)出疏散警告的程度。這張假色照片顯示火山灰煙柱正向東南方向擴(kuò)散

美國OCO-2衛(wèi)星

通過對(duì)全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型計(jì)算，可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時(shí)間通過單位面積的二氧化碳總量），這正是碳循環(huán)研究的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀。二氧化碳探測(cè)儀采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06μm、1.6μm、0.76μm三 個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04nm，如此高的分辨率在國內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。

一個(gè)好漢三個(gè)幫，在主載荷之外，碳衛(wèi)星的另一臺(tái)載荷——多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀，可以用來測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度剔除干擾因素。

除了這些載荷發(fā)揮作用外，碳衛(wèi)星最終要實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)，還需要衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)靈活的觀測(cè)模式。

二氧化碳探測(cè)儀與衛(wèi)星平臺(tái)配合，通過主平面天底和耀斑兩種主要觀測(cè)模式，才能對(duì)全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進(jìn)行精確測(cè)量。為保證在軌獲取光譜數(shù)據(jù)的精度，載荷需要在軌進(jìn)行對(duì)日、對(duì)月定標(biāo)，這也需要衛(wèi)星平臺(tái)頻繁調(diào)整姿態(tài)、翩翩起舞。

中國碳衛(wèi)星絕對(duì)是地球之上的靈魂舞者。

當(dāng)然，僅有衛(wèi)星是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成使命的，若要實(shí)現(xiàn)最終任務(wù)目標(biāo)，需要多個(gè)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。在科技部、中國科學(xué)院的共同組織下，碳衛(wèi)星按照航天工程模式，組成了衛(wèi)星、運(yùn)載、

大面積全息衍射光柵

工作人員在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行儀器調(diào)試

工作人員對(duì)碳衛(wèi)星原理樣機(jī)進(jìn)行裝調(diào)

為了確保二氧化碳探測(cè)儀的測(cè)量精度并驗(yàn)證反演算法，2015年9月，項(xiàng)目組用改造后的原理樣機(jī)在白城附近草原進(jìn)行了航空校飛試驗(yàn)

鋼鐵怎樣煉成二氧化碳探測(cè)儀關(guān)鍵技術(shù)與突破

二氧化碳探測(cè)儀采用三通道光柵光譜儀的方案，選用一塊Si-CCD探測(cè)器和兩塊MCT制冷探測(cè)器接收3個(gè)波段的高光譜分辨率光譜輻射信號(hào)，由指向反射鏡、望遠(yuǎn)鏡、分束器、三個(gè)光柵光譜儀和星上定標(biāo)組成，0.76μm、1.61μm和2.06μm共3發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、應(yīng)用五大系統(tǒng)。

碳衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行后，科學(xué)數(shù)據(jù)將依托風(fēng)云系列地面接收站資源完成數(shù)據(jù)下傳。這些數(shù)據(jù)并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經(jīng)過大氣物理學(xué)家進(jìn)行高精度的全球二氧化碳分布反演計(jì)算，最終才能成為全球二氧化碳觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并共享發(fā)布。個(gè)譜段，分別對(duì)大氣中的氧氣和二氧化碳痕量氣體進(jìn)行觀測(cè)，提供大氣溫室氣體的精細(xì)光譜測(cè)量結(jié)果。

二氧化碳探測(cè)儀核心的技術(shù)指標(biāo)和難點(diǎn)就是要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率和高輻射分辨率，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測(cè)儀可以把指紋放大一百倍，精細(xì)的測(cè)量每條指紋的寬度和深度。

為實(shí)現(xiàn)核心指標(biāo)，二氧化碳探測(cè)儀突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

二氧化碳探測(cè)儀通過一塊指向反射鏡對(duì)外部光線進(jìn)行收集，這塊指向鏡在設(shè)計(jì)時(shí)被巧妙地設(shè)計(jì)成“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測(cè)時(shí)折射光線；一面漫反射面，在定標(biāo)時(shí)對(duì)準(zhǔn)太陽，形成漫反射光來定標(biāo)儀器精度。

巧妙設(shè)計(jì)的背后是加工制造難度的極大增加，一方面要保證鏡面和漫反射面的高精度，另一方面要實(shí)現(xiàn)高度輕量化和高可靠性，研究人員經(jīng)過反復(fù)的工藝摸索和大量的空間可靠性試驗(yàn)，最終才完全攻克這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

二氧化碳探測(cè)儀使用的核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度，同時(shí)要能夠適應(yīng)苛刻的太空環(huán)境。

為突破這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(chǔ)的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)攻克技術(shù)難點(diǎn)，最終制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

對(duì)于碳衛(wèi)星上的二氧化碳探測(cè)儀來說，還有一項(xiàng)與其他很多星載光學(xué)載荷不同，那就是它在軌工作時(shí)要保持在-5℃的溫度水平，這是為了提高兩個(gè)紅外通道的信噪比、保證光譜探測(cè)精度。

這一簡單的條件變化，需要科研人員進(jìn)行所有的組件、整機(jī)裝調(diào)工作時(shí)都必須在-5℃條件下。于是，在載荷初樣、正樣研制最緊張的階段，研究人員連續(xù)數(shù)月在低溫室里工作，經(jīng)常是戶外30℃以上的高溫，而低溫室內(nèi)卻要穿著厚厚的羽絨服、凍著手堅(jiān)持裝調(diào)。

定標(biāo)技術(shù)是光譜儀器的最終實(shí)現(xiàn)精度的關(guān)鍵技術(shù)，為保證最終的光譜數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，必須在實(shí)驗(yàn)室和在軌工作時(shí)對(duì)儀器的光譜性能和輻射性能進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定。

碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)（上方是多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀，右側(cè)是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀）

多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀

熱真空試驗(yàn)

二氧化碳探測(cè)儀和云與氣溶膠探測(cè)儀采用了國際最先進(jìn)的定標(biāo)技術(shù)。為保證實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)有效性，二氧化碳探測(cè)儀必須在真空罐內(nèi)模擬在軌實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行定標(biāo)，而這一真空定標(biāo)系統(tǒng)是為二氧化碳探測(cè)儀量身特制的。

科研人員還利用可調(diào)諧激光器和波長及搭建自動(dòng)化定標(biāo)系統(tǒng)，大幅提高了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的效率，使儀器的定標(biāo)周期較OCO-2衛(wèi)星大幅縮短。

而提到在軌定標(biāo)技術(shù)，兩臺(tái)儀器均采用的是多種定標(biāo)模式交叉比對(duì)定標(biāo)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在軌對(duì)日定標(biāo)，云與氣溶膠探測(cè)儀還能夠進(jìn)行在軌對(duì)月定標(biāo)，這使得在太空工作狀態(tài)下，儀器也能有一個(gè)穩(wěn)定的決定定標(biāo)基準(zhǔn)，對(duì)于保證儀器最終的數(shù)據(jù)精度極為關(guān)鍵。

一個(gè)好漢三個(gè)幫“配角”也不簡單

多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀雖然不是“主角”，但千萬別小看它，它可能會(huì)給我們帶來很多意想不到的收獲。

在碳衛(wèi)星立項(xiàng)論證時(shí)，云與氣溶膠探測(cè)儀只規(guī)劃了0.38μm、0.67μm、0.87μm、1.64μm四個(gè)光譜通道，但隨著地面應(yīng)用系統(tǒng)的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375μm探測(cè)通道，并在0.67μm和1.64μm波段實(shí)現(xiàn)0°、60°、120°三個(gè)方向的偏振測(cè)量功能。

為了獲取更加豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)，載荷研制單位克服困能，重新對(duì)儀器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，按照應(yīng)用系統(tǒng)的需求增加了相應(yīng)的探測(cè)通道。

增加探測(cè)通道后，利用偏振信號(hào)對(duì)氣溶膠敏感而對(duì)地表不敏感的特點(diǎn)，可以提取氣溶膠光學(xué)厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標(biāo)量信號(hào)對(duì)地表敏感的特點(diǎn)，經(jīng)過大氣訂正，得到地表反射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠和地表反射率的同時(shí)反演。

這樣不僅可以獲取到全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐?！?/p>