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“碳索”新征程!我国首台高光谱温室气体监测仪随风云三号上天

“碳索”新征程!我国首台高光谱温室气体监测仪随风云三号上天

        习近平总书记在十九大报告中指出,“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”。11月15日,随风云三号卫星顺利入轨的我国首台干涉型温室气体观测载荷——高光谱温室气体监测仪,将紧扣十九大报告的这一主题,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。

该载荷由中国空间技术研究院下属北京空间机电研究所历时六年时间研制而成,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,实现了多个“国内首次”、“国际最高”,成为我国高光谱温室气体干涉探测的开拓者。

 放大“指纹特征”精确探测大气成分

        大家在日常生活中能够看到的光都具有独特的光谱特性,类似于人类的指纹功能,是遥感科学中用以识别和分析不同物体特征的一种重要身份证。据北京空间机电研究所徐彭梅研究员介绍:风云三号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特性,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。作为国内首个星载干涉型温室气体遥感器,风云三号监测仪对光谱的分辨能力高达0.03纳米,能同时观测多种大气成分,为科学家研究碳循环提供了更为丰富的素材。

“碳索”新征程!我国首台高光谱温室气体监测仪随风云三号上天

 

▲高光谱温室气体监测仪鉴定产品热控实施

        该监测仪的分光技术源于经典的迈克尔逊干涉原理,为了达到超高的光谱分辨能力,风云三号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,以可见光谱段人们常见的彩虹打比方,风云三号监测仪可以把彩虹的一种颜色又细分上千倍。

超灵敏“触觉”提高二氧化碳监测精度 

        风云三号高光谱温室气体监测仪能够探测到空气中二氧化碳的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”,还要得益于研制团队为其配备的国际上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“嗅碳”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度抗震性能,结构紧凑,十分适用于复杂恶劣的太空运行环境。

风云三号高光谱温室气体监测仪在轨直接获取的是干涉图信号,是由各种波长的光干涉形成的“明暗条纹”叠加而成的,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,风云三号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。 

研制团队为风云三号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。

        风云三号高光谱温室气体监测仪的扫描范围覆盖1200公里宽度,相当于从北京到上海的驾车距离。与此同时,相较于目前在轨的日本GOSAT,风云三号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4秒减少至2.2秒和1.1秒,观测效率提升1倍。

全角度多方位观测

        与所有监测类载荷相同,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,并对由于太空环境等因素造成的指标偏差进行“校正”。

 

        除常规监测类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”。


        风云三号高光谱温室气体监测仪,开创了多项国际第一和国内首次,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、掌握碳贸易主动权、保障国家低碳经济发展做出更大的贡献。


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