二氧化碳 (CO2) 是大气中重要的温室气体, 准确掌握大气 CO2 的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持。为满足气候研究的需求, 卫星观测大气 CO2 柱平均干空气混合比 (XCO2) 的反演精度需优于 1%。搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪 GMI (Greenhouse gases monitoring instrument) 采用新型的空间外差光谱技术, 具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响, 故根据 GMI 仪器特征设计了针对性的反演方法, 通过光谱信息含量的分析, 构建出用于大气 CO2 反演的信息谱以及用于背景扣除的参考谱, 以此重建观测数据和模拟数据, 并采用最优化估计法反演大气 XCO2。该方法具备缓变背景扣除功能, 可解决空间外差干涉型光谱的大气 CO2 反演问题。利用该反演方法对 2018 年 8 月至 2019 年 3 月的 GMI 观测数据开展反演, 并采用碳总量观测网 12 个站点的地面大气 CO2 测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现 GMI 卫星观测数据的反演, 且 GMI 大气 XCO2 反演精度为 0.67%, 优于 1% 的应用需求。

干涉光谱技术在大气遥感、 天文探测及地物勘察等诸多领域的应用是当前国内外研究热点, 光谱重构作为遥感数据处理的重要环节与探测精度紧密相关。 干涉数据由于有限光程差采样导致复原光谱出现频率泄露, 切趾函数在光谱重构过程中可以起到平滑光谱、 保持复原光谱和其他类型分光技术探测光谱一致性的作用, 但同时会造成重构光谱的分辨率下降。 已有研究表明切趾函数并没有提高反演精度, 同时多个典型大气遥感载荷地面数据处理过程中并未使用切趾函数。 空间外差光谱技术由于其诸多优点在国内外引起广泛关注, 中科院安光所基于该技术成功研究出用于大气CO2探测的原理样机。 信噪比是光谱仪的核心指标之一, 从信噪比、 光谱分辨率和探测精度之间的关系出发研究切趾函数在干涉数据光谱重构中的影响。 针对当前传统切趾函数并没有达到最优旁瓣抑制效果, 以诺顿-比尔切趾函数为基础, 在分辨率降低相同的情况下, 获取最大的旁瓣抑制程度为判据构造了10种不同光谱展宽程度的切趾函数。 利用SCIATRAN辐射传输模型分析了大气CO2遥感探测中不同气体浓度造成的大气层顶的辐亮度差异, 推导了典型条件下不同光谱分辨率满足1%探测精度需求的信噪比要求。 以实验室空间外差光谱仪样机参数为基础, 通过仿真干涉数据和本文构造切趾函数分析了不同切趾程度下光谱分辨率和信噪比的变化关系。 最后利用实验室研制的样机开展了实验验证, 通过观测稳定均匀积分球辐射源获取干涉数据在不切趾的情况下计算信噪比, 以及干涉数据进行不同程度切趾后复原光谱信噪比。 仿真和试验结果表明干涉数据由于切趾对噪声的抑制信噪比逐渐升高, 同时造成光谱分辨率逐渐下降, 而探测精度由于分辨率下降对光谱信噪比的要求也逐渐升高。 探测精度对信噪比的需求提高明显高于切趾作用下光谱信噪比的升高趋势, 仿真数据和实测数据信噪比分别在切趾程度大于1.6倍和1.8倍的情况下低于探测精度对仪器信噪比需求, 即白噪声在噪声中占主导的情况下不切趾更有利于探测精度的保障。 该研究结果可以作为干涉数据光谱重构的参考。

“高分五号”卫星于2018年5月9日成功发射, 是我国第一颗高光谱观测卫星, 大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷, 采用空间外差光谱技术进行高光谱分光, 是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理, 包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成, 核心单元为一体化胶合干涉仪, 为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平, 载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置, 可满足光谱及辐射定标要求。最后, 梳理了载荷数据处理的基本流程, 并对首批观测数据进行了光谱复原, 成功获取了1级数据产品, 为下一步温室气体反演应用奠定了基础。

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要, 它是大气光化学反应中重要的氧化剂, OH在308 nm波段受到太阳能量激发, 发射出OH Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 荧光信号。 为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号, 从复杂背景信号中分离目标信号, 研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪, 光谱范围为308.2～309.8 nm, 光谱分辨率为0.008 25 nm。 临边观测主要探测大气散射信号, 能量来源为大气中的粒子, 包括大气分子与气溶胶、 云等对太阳能量的散射作用。 中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术, 可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率, 适用于大气成分的精细探测。 通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜, 总视场内的场景被分成多个视场切片, 每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。 利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能, 临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号, 无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。 为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 进行了地面临边观测实验, 探测紫外308 nm波段大气散射信号。 模拟临边观测几何, 选取晴朗无云的一天, 在空旷场地对大气散射信号进行观测。 由于仪器基于空间外差光谱技术, 需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。 对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标, 得到最终临边观测光谱。 由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用, 因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。 从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗, 分析观测光谱中对应波段, 三个特征信息窗完全匹配, 验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。 将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN, 结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库, 得到模拟光谱, 将实测结果与辐射传输模型结果进行比对, 两者残差较小。 实测结果与模拟结果存在的残差, 可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态, 后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换, 使辐射传输模型更接近实际状态。 与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 验证了在轨探测多谱段、 宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性, 为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

以传统非成像式的高光谱空间外差干涉光谱仪为例, 详细推导了传统空间外差干涉光谱仪的空域和光谱域信噪比(SNR)的表达式, 分析了仪器各影响因素与SNR的关系, 包含空间分辨率、光谱分辨率、干涉条纹调制度和电子学噪声等, 并结合样机成像方式进行了讨论, 得出了相应的结论。结果表明, 计算SNR可有效评估和反映光谱仪的特性。

非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术, 要求后期的数据处理技术也具有相应的超高准确度.从数字信号处理的角度, 提出了一种自适应的频率跟踪处理方法, 根据信号的空间频率来插值补偿信号的相位偏移, 并且递归迭代出最接近真实值的相位信息.经仿真实验对比验证表明, 在噪声干扰强度不大的条件下, 相较于传统傅里叶变换方法, 本文算法对信号频率和相位提取的准确度提高了约100倍以上, 能够有效降低非对称空间外差光谱技术的系统误差.

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、 光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。 非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离, 能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。 首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理, 并给出相应的系统参数计算公式推导结果, 从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。 偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数, 受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。 根据实验室现有实验平台参数, 给出偏置量选择原则及结果。 在元器件参数相同的情况下, 分别计算了两种形式的理论光学性能参数, 并且进行了仿真验证, 得出非对称空间外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同, 但具有更高的光谱分辨率, 并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。 最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标, 定标结果与理论计算值吻合较好。