大氣環境的「CT機」：解碼我國首台星載太陽掩星甚高光譜探測儀

5月9日，大氣環境紅外甚高光譜解析度探測儀搭載於高分五號高光譜觀測衛星順利入軌。該載荷由中國航天科技集團有限公司五院508所研製，是國內首個採用太陽掩星觀測方式的甚高光譜解析度紅外光譜儀，採用8倍光程放大的時間調製型干涉分光技術，光譜解析度創國內新高，可直接獲取大氣痕量氣體垂直分布信息的超光譜載荷，為我國的大氣探測提供了全新的視角，為大氣痕量氣體觀測研究、中高層大氣物理和大氣化學研究、臨近空間環境研究提供更多更高質量的科學數據，服務於國家應對氣候變化和環境問題的策略制定。

該探測儀的技術負責人徐彭梅介紹，研製歷經原理樣機、工程樣機、初樣電性、初樣鑒定以及正樣階段，歷時八年有餘，平均年齡不到30歲的研製團隊先後攻克了基於在軌高速圖像處理的高精度太陽跟蹤技術、低雜訊大動態範圍信號提取與處理技術、高精度系統測試和標定技術等多項關鍵技術，實現了甚高光譜解析度、寬光譜覆蓋和高靈敏度等多項優秀性能，該探測儀的成功發射是508所又一次光譜型號的成功驗證，為實現國家高解析度對地觀測能力發揮重要價值。

掩日觀測全新視角

精確跟蹤分秒必爭

掩星是一種天文現象，指一個天體在另一個天體與觀測者之間通過而產生的遮蔽現象。太陽掩星，即是在人造衛星與太陽之間，利用地球大氣對太陽光的遮擋，獲取大氣中多種氣體成分對太陽光的吸收光譜。當地球完全遮擋太陽，我們稱衛星處於地球陰影區內。高分五號甚高探測儀所進行的太陽掩星觀測，是從衛星剛剛飛出地球陰影時刻開始，探測儀的光軸保持對太陽的精確和穩定指向，直至太陽完全暴露於地球大氣層外。這種觀測模式的優點在於可以直接獲取大氣成分在不同高度的分布情況，利用光譜數據研究其物理和化學特性，為研究全球氣候變化、大氣環境變化等問題提供另一維度的數據支撐。

由於地心引力作用，大氣中幾乎全部氣體都集中在離地面100公里的高度範圍內。有限的觀測高度對應有限的觀測時間，為了充分利用「星上日出」的寶貴時段，高分五號甚高探測儀配備了高精度太陽跟蹤系統，首次採用圖像反饋自動跟蹤系統，即利用可見光相機獲取實時太陽圖像，由跟蹤系統內部的軟體和演算法進行在軌實時高速圖像處理，控制二維轉動機構，使得探測儀的指向鏡光軸在全部觀測時段都能精確對準太陽的輻射質心，也就是太陽的輻射能量中心。考慮到低層大氣中雲和湍流等影響會導致太陽圖像的變形甚至分塊，探測儀圖像處理演算法的設計能夠很好地適應各種特殊情況，通過智能判斷有效跟蹤太陽質心，其跟蹤精度優於0.1毫弧度。

數十種痕量氣體成分精細分辨

八倍光程放大實現甚高光譜探測

大氣中氮、氧、氬、二氧化碳占干空氣的99.997%，其他僅佔0.003%的成分則稱為痕量氣體，如氮氧化物、碳氫化合物、硫化物和氯化物等。它們雖然含量極少，卻是參與大氣中各種物理、化學、生物過程的主要角色，對全球大氣環境及生態產生著重大影響，如光化學煙霧、酸雨、溫室效應、臭氧層破壞等無不與痕量氣體有關。

高分五號甚高探測儀所採用的太陽掩星觀測方式，其大氣吸收光程，也就是儀器所探測太陽光在大氣中經過的路徑長度，通常是垂直對地觀測路徑長的4-5倍，可以探測到傳統觀測方式所無法發現的多種痕量成分，對於成分稀薄的中高層大氣研究非常有利。為了獲取儘可能豐富的吸收光譜信息，探測儀的譜段從短波紅外的2.4微米一直覆蓋至長波紅外的13.3微米，囊括了二氧化碳和幾十種大氣痕量氣體的吸收譜段。

除了譜段要夠寬，具備極高的光譜分辨能力是能夠精確區分和檢測出這些成分的關鍵。探測儀的核心組件是一台雙角鏡擺臂式干涉儀，通過引入一個平面反射鏡使干涉光路摺疊，實現了干涉光程相對機構機械運動行程的8倍放大，光譜通道數多達11萬多個，光譜解析度最高達0.02納米，創國內光譜儀解析度水平之最，與國際先進水平比肩。

大動態、高靈敏

多措並舉保障精確量化

我們知道，相機圖像的動態範圍越大，所能表現的層次越豐富，能同時記錄的暗部細節和亮部細節也就越豐富。遙感器的動態範圍反映了系統同時探測強信號和弱信號的能力。

對於常規對地觀測的紅外遙感器而言，長波紅外譜段和中波紅外譜段的輸入能量通常可分別與溫度300K和500K黑體的輻射能量相當。高分五號甚高探測儀的觀測目標為太陽，太陽的能量約與溫度5800K的黑體等效，探測信號的強度遠大於對地觀測遙感器。另一方面，探測儀在軌直接獲取的是太陽光譜的干涉信號，入射光經干涉儀的分束鏡均分為兩路，這兩路光信號所走過的行程由於機構的運動產生差異，即光程差。複色光的干涉信號在光程差為零時達到峰值，在光程差最大時信號又十分微弱，信號幅度相差懸殊，太陽光干涉信號的這一比值達到十萬倍之高。因此，探測儀的動態範圍設計必須滿足太陽光干涉圖中的極強和極弱信號的同時獲取。

針對大動態範圍、高精度和高速時間調製干涉信號的處理和採集，探測儀的電子學系統從各環節進行設計優化並採取有效抗干擾措施，解決了低雜訊、大擺幅、寬頻率範圍的前置放大問題，信號電流的分辨能力達到納安量級，從源頭保證了儀器探測的高靈敏度；在後續數據獲取環節採用高精度、大動態範圍的模數轉換方案，並根據信號特點進行一系列演算法處理，實現了高性能的干涉數據採集。

大氣環境紅外甚高光譜解析度探測儀分系統熱試驗

這就是高分五號大氣環境紅外甚高光譜解析度探測儀，實現了短波紅外至長波紅外的連續光譜覆蓋，是國內目前光譜解析度以及光譜定標精度最高的光譜儀，為全球氣候變化研究和大氣環境監測提供重要科學依據。該探測儀的成功發射為實現高分專項「形成高空間解析度、高時間解析度、高光譜解析度和高精度觀測的時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統」目標作出重要貢獻，也將為世界環保和美麗中國建設再建新功。

作者：李碧岑、李莉

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