用于大气临边探测的高光谱成像仪研制

　　1 引 言

　　大气污染是全球环境变化的焦点，传统监测大气污染技术已经越来越不能满足科学研究和国家决策的需求，基于卫星平台的大气痕量气体探测可以得到高频次、大尺度、长时间污染物时空分布特征和变化趋势，进而研究大气化学变化对全球气候和生物地球化学循环的影响。基于卫星平台进行大气痕量气体探测已成为监测大气环境的重要手段[1]。基于卫星平台进行大气痕量气体探测有天底、临边、掩星( 掩日/月) 3 种探测方式。天底探测方式的垂直分辨率不能满足大气上下层相互作用及全球变化过程研究; 掩星探测方式具有很高的垂直分辨率和观测精度，但是，由于其只在卫星所在位置的日出和日落时段进行探测，故其空间覆盖率极低。作为一种新的探测方式，临边探测方式的垂直分辨率高，并且空间覆盖率也很高，因此受到人们的青睐，已成为国际上基于卫星平台大气痕量气体探测领域研究的热点和前沿[2]。

　　星载高光谱成像仪是一种能同时获得图像信息和光谱信息的新型光学遥感仪器，在环境灾害监测、资源勘察、大气痕量气体探测等诸多领域受到人们的极大关注[3-8]。2001年，瑞典成功研制了高光成像仪 OSIRIS[9]，重点对大气中的臭氧、NO2和气溶胶进行探测，2011 年 10 月，美国的高光谱成像仪 OMPS/LP[10]搭极轨卫星平台 NPP 发射成功，主要用　　于测量大气中臭氧等痕量气体的分布。在国内，用于大气痕量气体的临边高光谱成像仪处于刚刚起步阶段。

　　本文首先分析了以临边探测方式对大气痕量气体进行探测的原理，根据应用要求设计并研制了用于大气临边探测的高光谱成像仪原理样机，对该样机的性能进行了检测，并对检测结果进行了分析。该高光谱成像仪的研制成功，提升了我国在大气痕量气体探测领域的技术水平，在下一步的空间大气遥感中有巨大的应用潜力。

　　2 大气临边高光谱探测原理

　　利用 O3、NO2、SO2等大气痕量气体在不同波段对太阳光的散射和吸收特性的差异，通过对星载高光谱成像仪观测的经过大气痕量气体消弱后的紫外/可见波段的散射光谱辐射光谱信息的解译，获得大气成分的总量或垂直分布特征。大气临边高光谱探测原理如图 1 所示，高光谱成像仪对沿地球某高度切线方向上的大气进行探测，接收来自于仪器视轴上视场内大气层的散射辐射。

　　通过上下改变仪器的视轴高度，可获得整层大气的垂直结构。从而为大气环境监测和气象预报等服务。

　　3 应用要求及技术指标

　　图 2 为各种大气痕量气体对应的探测波段，从图中可以看出，在紫外/可见波段，对 O3、H2CO、SO2、BrO、NO2等大气痕量气体有明显的探测优势。因此取高光谱成像仪的工作波段为紫外/可见波段，即 560 ～780nm 和280 ～390 nm。卫星平台的轨道高度 H 按 400 km 计算，则仪器到临边观测点的距离 L 为 2 294 km，根据反演大气痕量气体的要求，临边垂直方向空间分辨力≤1. 2 km，光谱分辨力在 560 ～780 nm 波段≤1. 5 nm，在 280 ～ 390 nm 波段≤0.75 nm。根据以上要求，确定高光谱成像仪的主要技术指标如表 1 所示。