我国走向“碳索”新征程实现全球温室气体排放监测—解读我国首台干涉型高光谱温室气体遥感器

韩美玲 李碧岑（北京空间机电研究所）

2017年11月15日，随风云－3D卫星顺利入轨的我国首台干涉型温室气体观测遥感器——“高光谱温室气体监测仪”，将为全球温室气体排放监测、温室气体与气候变化关系等问题的研究提供强有力的数据支持，为建设美丽中国，为人民创造良好的生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。

该遥感器由中国空间技术研究院北京空间机电研究所历时6年时间研制而成，采用时间调制型干涉分光的技术途径，具有超高光谱分辨率、宽光谱覆盖和高信噪比等多项优秀性能，成为我国高光谱温室气体干涉探测的开拓者，实现了多个“国内首次”和“国际最高”。

将不同类型光谱的“指纹特征”放大精确探测多种大气成分

人们在日常生活中能够看到的光是由多种颜色构成的复色光，通过棱镜等辅助工具分光后显现的是单色光。这些单色光按不同波长大小依次排列形成的图案就是光谱。地球上不同的元素及其化合物，由于物质组成、结构等不同，都具有不同的光谱特征。这些独特的光谱特性，类似于人类的指纹，是遥感科学中用以识别和分析不同物质特征的一种重要“身份证”。

据北京空间机电研究所专家介绍，风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”是一台可以将大气中的微量甚至痕量气体成分通过光谱解析的方法检测出来的光谱仪，利用气体分子对地球反射太阳光谱的吸收，测量出吸收谱线的变化，从而推算出大气中二氧化碳、甲烷等成分的浓度变化。

该监测仪的分光技术源于经典的迈克尔逊干涉原理，这项技术的一大优势便是可以通过技术手段使光线走过的行程产生变化，进而实现更宽谱段范围的光谱细分，光线走过的行程越长，光谱分辨率就越高，即对不同类型的光谱区分得更精确。为了达到超高的光谱分辨能力，风云－3D卫星监测仪在迈克尔逊干涉仪的基础上进行优化改进，实现了干涉光程相对机构机械运动行程的4倍放大，在近红外至短波红外谱段的光谱通道数多达5000多个。以人们可见的光谱段彩虹打比方，风云－3D卫星监测仪可以把彩虹的一种颜色又细分上千倍。

作为国内首个星载干涉型温室气体观测遥感器，风云－3D卫星监测仪对光谱的分辨能力高达0.03nm，能同时观测二氧化碳、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮、氧气和气溶胶等多种大气成分，为科学家研究碳循环提供了更为丰富的素材。

超灵敏“触觉”提高二氧化碳监测精度

工业革命以来，全球变暖、温室效应等气候变化问题日益严峻，对碳排放的量化监测已成为温室气体减排的重要技术保障。大气中，二氧化碳浓度只有万分之四，甲烷的含量则仅为百万分之二左右。北京空间机电研究所研制的风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”能够探测到空气中二氧化碳百万分之四的浓度变化。

该监测仪之所以具有如此超灵敏的“触觉”，还要得益于北京空间机电研究所研制团队为其配备的国际上角镜口径最大的双角镜摆臂式干涉仪，其角镜口径是目前在轨的日本“呼吸”卫星（GOSAT）的1.5倍。与此同时，科研团队积极攻克了干涉仪口径增大所带来的角镜加工、机构控制等一系列难题，使干涉仪机构具有高抗震性能，结构紧凑，十分适用于复杂恶劣的空间运行环境。

风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”在轨直接获取的是干涉图信号，由各种波长的光干涉形成的“明暗条纹”叠加而成，需要地面通过傅里叶变换技术得到大气吸收光谱。为了更好地实现干涉信号的高精度采集，监测仪配备了激光计量系统。计量激光就像一把看不见的光尺，通过对激光器温度、电流的精确控制，保障了激光波长的稳定，实现了一张干涉图七万多个数据点的等间隔采样，进而保证了光谱数据获取的精度。

不仅“观得宽”，而且“察得细”

全球碳循环研究对数据获取的广度和效率提出了新的要求。与常规遥感相机不同，风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”并非实现遥感图像拍摄，而是在穿轨方向即垂直卫星飞行的方向进行扫描打点观测。

北京空间机电研究所研制团队为风云－3D卫星高光谱温室气体监测仪采用的二维指向机构设计，实现了穿轨大角度高速精确切换，同时保证了对卫星飞行方向的慢速补偿。

风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”的扫描范围覆盖1200km宽度，相当于从北京到上海的距离。与此同时，相较于目前在轨的日本“呼吸”卫星，风云－3卫星“高光谱温室气体监测仪”的穿轨测量点数由5点提升至7点和9点两种模式，单点观测时长由4s减少至2.2s和1.1s，观测效率提升1倍。

不仅会“竖直往下看”，还会“斜着角度看”、“自动盯着耀斑看”

与所有监测类有效载荷相同，监测仪可以实现对观测目标“盯着看”以及“在轨体检”功能，即利用太阳作为标准能量源，对监测仪本身的各项指标进行检查，并对由于空间环境等因素造成的指标偏差进行校正。

除常规监测类有效载荷都具备的上述两种观测模式外，该监测仪还首次设计了陆地和海洋自主识别功能，在陆地上空对准地面进行温室气体探测；在海洋上空，监测仪则自动盯着“海中的太阳”观测，获取海上大气中温室气体含量的数据，实现全球温室气体数据的高效获取。监测仪的二维指向机构就像一个优雅而灵动的舞者，时而跳动充满节奏的“探戈”，时而温情凝视广袤的海洋，反射太阳的耀眼光影，指引监测仪“竖直往下看”、“斜着角度看”、“自动盯着耀斑看”。

风云－3D卫星“高光谱温室气体监测仪”开创了多项国内首次和国际第一，实现了我国光谱遥感事业向“超光谱”时代的跨越，并将为我国的温室气体监测业务运行积累基础，将为我国应对气候变化、掌握碳交易主动权、保障国家低碳经济发展作出重大的贡献。