用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

　　1　引　言

　　大气层既是地球气候与环境的主要载体和活动舞台,又是空间天气与环境的重要组成部分。大气层下连地球海洋及生物圈,上接太阳活动重大影响区域磁层和电离层,上下发生着重要的相互作用。对它进行遥感探测从而发现和理解其中的整体行为和相互作用,一直是地球和空间科学界共同的追求目标[1]。对大气进行遥感探测有3种观测方式,即天底观测方式、掩星(掩日/月)观测方式和临边观测方式。天底观测方式虽然具有高空间覆盖范围,但垂直分辨率较低。掩星观测方式虽然具有高的垂直分辨率,但由于其绕轨道一周只能进行两次有限时间内的观测,因此其空间覆盖范围很低。临边观测方式是一种新的观测方式,它既具有天底观测方式的高空间覆盖范围,又同时具有掩星观测方式的高垂直分辨率,因此,受到人们的极大关注[2]。

　　成像光谱仪是一种“图像和光谱合一”的光学遥感仪器,它利用入射狭缝将前置望远光学系统和光谱成像系统有机地结合在一起,能够提供景物连续的光谱图像。成像光谱仪具有其他光学遥感器不能比拟的综合技术性能,是光学遥感器发展的主流和方向[3-5]。以临边观测方式进行大气遥感探测的成像光谱仪称为临边成像光谱仪[6]。近10年来,用于大气遥感探测的临边成像光谱仪因为其独特的优势逐渐成为美国和欧洲等发达国家研究的热点,他们投入大量的人力和物力进行临边成像光谱仪的研究,取得了一定的研究成果,已成功研制了OSIRIS[7]和SCIAMA-CHY[8]等临边成像光谱仪。在我国从2007年起,中科院长春光学精密机械与物理研究所率先与中科院大气物理研究所联合开展临边成像光谱技术的研究,前者从事临边成像光谱仪的设计和研制,后者研究临边反演算法[9]。

　　本文从大气临边成像光谱探测原理出发,根据应用需要设计并研制了光栅色散型临边成像光谱仪原理样机,利用该样机进行了实验室光谱实验,并对实验结果进行了分析。临边成像光谱仪原理样机的研制成功,进一步提升了我国大气遥感探测的技术水平,为未来的空间业务应用奠定了技术基础。

　　2　大气临边成像光谱探测原理

　　从外空间看地球时,地球好像被一个厚度约为100 km的光环包围着(如图1[10]所示),这个光环是由于太阳光被大气分子(瑞利散射)、气溶胶、云和地球表面的散射造成的。临边成像光谱仪探测地球临边大气散射光辐射,通过分析它的光谱特性,进而反演大气成分(痕量气体和气溶胶等)的垂直分布信息[10]。图2为临边观测的几何原理图,从图中可以看出,临边成像光谱仪对准沿地球某高度切线方向上的大气进行观测,接收来自于仪器视线上大气层在狭窄视场内的散射辐射。由于临边探测方式是一种对大气进行切片探测技术,因此垂直分辨率很高。仪器视线由临边高度决定,它测量的临边光谱辐亮度包括单次和多次散射的太阳光谱辐射。临边散射亮度随临边高度和波长的变化反应了大气中吸收体和散射体的空间分布,特别是痕量气体臭氧、二氧化氮和大气气溶胶的空间分布。