空問(wèn)大氣成分探測(cè)傅立葉變換紅外光譜儀

空問(wèn)大氣成分探測(cè)傅立葉變換紅外光譜儀
摘 要 文章闡述了用于空間大氣成分探測(cè)傅立葉變換紅外光譜儀的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r，主要介紹了幾種 國(guó)外先進(jìn)的高分辨率空間大氣探測(cè)用傅立葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用范圍和技術(shù)指標(biāo)，比較了這幾種 設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn)。

1 引言 近年來(lái)，全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征 的顯著變化，它對(duì)世界包括中國(guó)的自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng) 濟(jì)和國(guó)家安全等方面產(chǎn)生了重大影響。氣候變化，已 不僅是一個(gè)自然科學(xué)的前沿問(wèn)題，還成為關(guān)系到社 會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、軍事與國(guó)家安全、環(huán)境外交等 政治問(wèn)題。通過(guò)大氣組分精細(xì)研究大氣圈的大氣物 理、大氣化學(xué)，在氣候變化研究中占有重要地位，其相 關(guān)數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)特l生的測(cè)定，是確定和分析地球氣候 系統(tǒng)變化和趨勢(shì)、氣候系統(tǒng)演變內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力、氣候系 統(tǒng)響應(yīng)和反饋機(jī)制以及氣候演變后果的重要參量。 風(fēng)速計(jì)| 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀

實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)大氣成分精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的指標(biāo) 為：①探測(cè)區(qū)域高度5～lOOkm；②光譜范圍為中遠(yuǎn) 紅外波段；③光譜分辨率在0．05cm 量級(jí)。為了滿 足大氣成分探測(cè)的功能、性能要求，必須發(fā)展超高光 譜分辨率的光譜技術(shù)。目前，能夠同時(shí)滿足如此高 的光譜分辨率和寬光譜條件，時(shí)間調(diào)制型的傅立葉 變換紅外光譜儀是理想的選擇。

2 空間大氣探測(cè)傅立葉變換紅外光譜 儀的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 迄今為止，已研制成功的高分辨率空間大氣探 測(cè)傅立葉變換紅外光譜儀有美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (JPIJ)研制的大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS)和對(duì)流 層放射光譜儀(TES)，德國(guó)研制的被動(dòng)式邁克爾遜 干涉大氣探測(cè)儀(MIPAS)，加拿大ABB Bomem公司 研制的大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)傅立葉變換紅外光譜儀(ACE — )以及法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)研制的 紅外大氣干涉探測(cè)器(IASI)。

2．1 大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS) 大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS)是一個(gè)紅外吸收 型傅立葉變換紅外光譜儀，其設(shè)計(jì)意圖是用于研究 大氣的化學(xué)成分。ATMOS采用太陽(yáng)掩星的模式在 太陽(yáng)升起和降落時(shí)對(duì)對(duì)流層、平流層和中間層的組 成成分進(jìn)行全球探測(cè)，同時(shí)還能{』n0量10～150km高 度范圍內(nèi)復(fù)雜化學(xué)和發(fā)射的相互作用的氣體濃度。 AT OS由霍尼威爾光電中心(HEOC)制造，該儀 器主要由以下兩部分組成：光傳感器和電子學(xué)組件。 所有光傳感器元件都安裝在一個(gè)鋁制的基板上，這個(gè) 基板通過(guò)減振器安裝在一個(gè)基礎(chǔ)組件上。ATMOS包 括一個(gè)太陽(yáng)跟蹤器、一個(gè)望遠(yuǎn)鏡、一個(gè)干涉儀、一個(gè)紅 外探i貝4器和一個(gè)數(shù)據(jù)處理器。其光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。太陽(yáng)跟蹤器始終保持儀器的視場(chǎng)對(duì)著太陽(yáng)，望 遠(yuǎn)鏡將光線收集進(jìn)來(lái)并通過(guò)干涉儀進(jìn)行處理，從干涉 儀出來(lái)的光線聚焦在紅外探測(cè)器上，經(jīng)探測(cè)器將其放 大、過(guò)濾、數(shù)字化后由數(shù)據(jù)記錄儀記錄下來(lái)。 ATMOS的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。 圖1 ATMOS光學(xué)結(jié)構(gòu)圖 表1 ATMOS的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 分光類型 干涉傅立葉變換 光譜范圍 2．2—16tm~ 最大光程差 -4-48cm 最高分辨率0．013cm (未切趾) 靈敏度4I~rn時(shí)信噪比為100：1 掃描時(shí)間 2．2s 工作溫度 一5℃ 一+450(； 探測(cè)器類型 H dTe(77K) 瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)(可選) 1，2或4mrad 望遠(yuǎn)鏡直徑 7，5cm 分束器和補(bǔ)償器 溴化鉀 光束直徑(內(nèi)部) 2．5cm 數(shù)據(jù)率 16Mbit／s 質(zhì)量 250kg 功率 360W 光路誤差控制 穩(wěn)定He／Ne激光器

2．2 對(duì)流層放射光譜儀(TES) 對(duì)流層放射光譜儀(TES)是一種用于測(cè)量地球表 面空氣中的氣體和微粒發(fā)射出的紅外光能量的分光 計(jì)。所有溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都能發(fā)射出紅外輻 射，分光計(jì)就是通過(guò)測(cè)量這些輻射來(lái)識(shí)別物質(zhì)。 TF_．S既能進(jìn)行臨邊探測(cè)，又能進(jìn)行天底角探測(cè)， 且它具有很高的光譜分辨率，因而能準(zhǔn)確地識(shí)別物 質(zhì)并給出其在大氣中的位置信息。通過(guò)測(cè)定待觀測(cè) 物質(zhì)的高度，TES可以區(qū)別來(lái)自大氣層上層和下層 的輻射，并集中在下面這一層——對(duì)流層。 TF_．S的光學(xué)系統(tǒng)主要分為4個(gè)子系統(tǒng)：萬(wàn)向節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)、前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)、干涉儀和兩個(gè)焦平面光機(jī) 組件(FPOMA)。圖2給出的是TES的光學(xué)系統(tǒng)圖。 這兩個(gè)焦平面光機(jī)組件收集干涉模塊發(fā)射出來(lái)的干 涉圖信號(hào)，其中的帶通濾波片限制雜散光，并將輸出 信號(hào)匯集在焦平面上。此外，該光學(xué)系統(tǒng)還包括校 準(zhǔn)黑體和參考激光源。 圖2 TES的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖 TES的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。 表2 TES的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 分光類型 干涉傅立葉變換 臨邊模式 覆蓋高度=0—34km 光譜范圍 3．2—15．4tma 光譜 ． 辨率 14 8 c (臨邊) cm m ： ；； 空間分辨率 光程差 ； ： 掃描咖 信噪比 600：1，最低要求：30：1 高度分辨率 2．3km 瞬時(shí)視場(chǎng)(咧) 12mrad×7．5mrad 陣列結(jié)構(gòu) 1×16 調(diào)制度 >0．7 輻射度精度 ≤1k 數(shù)據(jù)率 6．2Mbit／s(最高)，4．5Mbit／s(平均) 熱量控制 2個(gè)斯特林循環(huán)冷卻器，加熱器，散熱器 動(dòng)悉-干涉范圍 <16bit 周期任務(wù) 可變 光圈直徑 5cm 光譜精度 ±O．00025cm～1 功率 334W 質(zhì)量 385ks 外形尺寸 1．Omx 1．3mx 1．4m 壽命 5年(在軌)

2．3 被動(dòng)式邁克爾遜干涉大氣探測(cè)儀(MIPAS) 被動(dòng)式邁克爾遜干涉大氣探測(cè)儀(MIPAS)屬精 細(xì)分光遙感儀。在中波和熱紅外波段(4．15Van一 14．6tan)，采用臨邊探測(cè)方式對(duì)地球大氣對(duì)流層上 部到熱層之間的光化學(xué)相關(guān)痕量氣體進(jìn)行全球測(cè) 量。 MIPAS的干涉儀具有4個(gè)特點(diǎn)： · 需要致冷 · 由光路來(lái)補(bǔ)償裝配誤差 · 雙邊干涉圖 · 雙輸入和雙輸出 MIPAS的光學(xué)系統(tǒng)包括前置光學(xué)系統(tǒng)(方位角 掃描單元、垂直掃描單元和接收望遠(yuǎn)鏡)、邁克爾遜 干涉儀、焦平面子系統(tǒng)、校準(zhǔn)黑體和參考激光源。 圖3給出的是MIPAS的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)望遠(yuǎn) 鏡接收的信號(hào)直接進(jìn)入干涉儀，通過(guò)分束鏡后以不 變的速率直接射入立體角鏡。由于干涉儀兩臂之間 的光程差，調(diào)制信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)制調(diào)制干涉圖。標(biāo)準(zhǔn) 黑體被安裝在方位角掃描單元中，它用于儀器響應(yīng) 度的飛行校準(zhǔn)。 MIPAS的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。 圖3 MIPAS的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖 表3 MIPAS的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 分光類型 干涉傅立葉變換 光譜穩(wěn)定度 1天之內(nèi)0．001eraI1 光譜范圍 4．15～14．6tma 光譜分辨率0．035cm一 探測(cè)器工作溫度 65～75K 視線瞄準(zhǔn) 正切高度1．8km 操作 軌道連續(xù) 視線穩(wěn)定度 正切高度500m／4s 瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV) 3km×30kin(高×寬) 垂直掃描范圍 地平線上5～150kin(切線高度) 俯仰掃描范圍 5～150krn(正切臨邊高度) 方位掃描范圍 相對(duì)于飛行方向8IY～1 ，160’～195’ 數(shù)據(jù)率 533Mbit／s，原始數(shù)據(jù)8Mbit／s 輻射準(zhǔn)確度 依波長(zhǎng)2NE +源輻射率2％～5％ 功率 210W 質(zhì)量 320l【g MIPAS由于其角鏡裝置出現(xiàn)問(wèn)題，于2004年3月 26日關(guān)閉。自此，MIPAS僅在2004年8月和12月通 過(guò)降低光譜分辨率運(yùn)行過(guò)。2005年1月以后，MIPAS 只能以40％左右的光譜分辨率進(jìn)行間斷測(cè)量。

2．4 大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)傅立葉變換紅外光譜儀(ACE— FIS) 大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)傅立葉變換紅外光譜儀(ACE— rrs)由一臺(tái)傅立葉變換光譜儀(rrs)和兩個(gè)成像探 測(cè)器構(gòu)成，采用太陽(yáng)掩星的探測(cè)方式對(duì)大氣中的微 量氣體、薄云、氣溶膠和溫度進(jìn)行綜合性的測(cè)量，并 分析對(duì)對(duì)流層和同溫層中的臭氧分布起控制作用的 化學(xué)反應(yīng)和動(dòng)態(tài)過(guò)程。 ACE一兀 采用折疊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而使得 該光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)又具有很高的性能。該光 譜儀是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜干涉儀，采用 優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在視場(chǎng)為12．5mrad和孔徑為 100ram時(shí)，達(dá)到的信噪比超過(guò)100。ACE一兀 儀器 還包括一臺(tái)太陽(yáng)跟蹤器，在太陽(yáng)被地球大氣遮掩期 間，該跟蹤器能以優(yōu)于15t,-rad的穩(wěn)定性使紅外光譜 儀和成像器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的輻射中心。ACE一兀 的光 路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 圖4 ACE—FIS的光路結(jié)構(gòu)圖 ACE一17PS的主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。 表4 ACE—FTS的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 分光類型 干涉傅立葉變換 光譜穩(wěn)定度(Ⅱlls) 3×10一 (180s) 光譜范圍 2．4—13．3／ml 光譜分辨率 0．02cm 擺掃周期 2，1，0．5，0．1s 視場(chǎng) 1．25mrad 透過(guò)率不確定度(ⅡIls) 1％ 信噪比 100～6oo(平均300) 噪聲等效輻射度 <0．5％(5800K) 探測(cè)器致冷 主動(dòng)式<100K(80～90K) 質(zhì)量 <40kg 功耗 <4ow(平均37W) 體積 53em×45era×25em 探測(cè) ● ～ HgCdTe 5 5 13tan 垂直高度分辨率 3～4km 垂直高度范圍 10～100kin

1 2．5 紅外大氣干涉探測(cè)器( I J 紅外大氣干涉探測(cè)器(IASI)將提供高精度的溫 度、濕度和大氣成分測(cè)量數(shù)據(jù)。IASI的外形結(jié)構(gòu)圖 如圖5所示。 IASI通過(guò)測(cè)量地表大氣系統(tǒng)的紅外輻射光譜， 主要提供以下數(shù)據(jù)： 對(duì)流層和同溫層底部的大氣溫度廓線； · 對(duì)流層的水蒸氣廓線； · 臭氧總量及其垂直分布廓線； · 云覆蓋度、云頂溫度和壓力。 IASI的探測(cè)模式為天底角探測(cè)，如圖6所示。 圖5 紅外大氣干涉探測(cè)器(IASI) 構(gòu) 鏡 射器 激光 沒(méi)備 圖6給出的是IASI的光學(xué)系統(tǒng)圖。圖中A為分束 器／*b償器裝置，B、c分別為固定反射鏡和動(dòng)鏡，二 者均為角鏡，D為探測(cè)器。 圖6 IASI的光學(xué)系統(tǒng)圖 IASI的主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。 表5 IASI的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 分光類型 干涉傅立葉變換 光譜分辨率0．35～0．5 cin一1 光譜范圍 3．62～15．5tnn 輻射度精度0．1—0．5K(280K時(shí)) 刈幅 50kin×50kin 空間分辨率 12kin×12kin 光程差 ±2em 陣列結(jié)構(gòu) 2×2 瞬時(shí)視場(chǎng)(WOV) 47mrad×47mrad 數(shù)據(jù)率 1．5Mbit／s 功率 200W 質(zhì)量 210kg 外形尺寸 1．2m×1．1m×1．1m 壽命 5年(在軌)

2．6 結(jié)束語(yǔ) 上述5種儀器在探測(cè)模式、探測(cè)目標(biāo)、光路和結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面都各有優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
(1)探測(cè)模式 TES既能采用天底角的觀測(cè)模式，又能采用臨 邊觀測(cè)模式，因此其掃描范圍比較寬。但由于這兩 種觀測(cè)方式是交替進(jìn)行的，所以每種觀測(cè)方式得到 的數(shù)據(jù)都不是連續(xù)的。而MIPAS采用臨邊探測(cè)模 式，24小時(shí)不問(wèn)斷的進(jìn)行觀測(cè)，所以可以獲得比較 連續(xù)的數(shù)據(jù)。IASI采用天底角探測(cè)模式，可以獲得 地面到儀器高度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果和成像儀結(jié)合 使用則具有重要的軍事意義。ATMOS和ACE—Frs 則采用太陽(yáng)掩星的探測(cè)模式，這種探測(cè)模式不需要 另外設(shè)計(jì)校準(zhǔn)黑體，直接利用太陽(yáng)作為校準(zhǔn)黑體，從 而可以減小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。
(2)探測(cè)目標(biāo) 5種設(shè)備的探測(cè)目標(biāo)都是大氣的化學(xué)成分，但 它們的探測(cè)高度及主要探測(cè)目標(biāo)各不相同。ATMOS 能夠探測(cè)對(duì)流層、平流層和中間層的大氣化學(xué)組成 成分，主要有03、N20、CH4、H20和NOy家族等。TES 的探測(cè)目標(biāo)是對(duì)流層的臭氧(首要探測(cè)目標(biāo))及其光 化學(xué)體(參與形成和破壞臭氧的化學(xué)物質(zhì))，同時(shí)還 能輔助HIRDLS測(cè)量同溫層的化學(xué)物質(zhì)。MIPAS則 對(duì)地球大氣對(duì)流層上部到熱層之間的光化學(xué)相關(guān)痕 量氣體進(jìn)行全球測(cè)量。ACE—Frs是對(duì)大氣中的痕 量氣體、薄云、氣溶膠和溫度進(jìn)行綜合性的測(cè)量，并 分析對(duì)對(duì)流層和同溫層中的臭氧分布起控制作用的 化學(xué)反應(yīng)和動(dòng)態(tài)過(guò)程。IASI則提供高精度的溫度、 濕度和大氣成分測(cè)量數(shù)據(jù)。
(3)光路設(shè)計(jì)
1)干涉儀：干涉儀部分是傅立葉變換紅外光譜 儀的核心部分，其設(shè)計(jì)方案直接影響設(shè)備的性能。 ATMOS利用兩個(gè)貓眼反射鏡以等距離反方向的 50cm／s的速率的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光程差，這種方法可以 將機(jī)械掃描速率減小到原來(lái)的一半，并能消除常規(guī) 模式的影響，還能提供一個(gè)一階速率修正值。TES、 MIPAS和IASI的干涉儀運(yùn)動(dòng)方式均為直線運(yùn)動(dòng)，因 此為了達(dá)到很高的分辨率就必須實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的光程 差，這樣一來(lái)，設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸隨之加大。而ACE— Frs的干涉儀采用小角度擺動(dòng)掃描和折疊式光路設(shè) 計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)8倍光路放大，這樣即使設(shè)備在±15。 的角度內(nèi)擺動(dòng)，卻能實(shí)現(xiàn)±25cm的光程差，從而使 光譜分辨率達(dá)到0．02cm～，并且使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊， 體積小巧。
2)校準(zhǔn)黑體：TES、MIPAS和IASI都在設(shè)計(jì)時(shí)考 慮了校準(zhǔn)黑體的設(shè)計(jì)，而ATMOS和ACE—Frs則由 于采用太陽(yáng)掩星的探測(cè)模式，直接使用太陽(yáng)作為校 準(zhǔn)黑體，因此，不需另外設(shè)計(jì)校準(zhǔn)黑體。并且由于太 陽(yáng)的輻射在短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是沒(méi)有變化的，所以 可以作為標(biāo)準(zhǔn)黑體使用，因此可減小因黑體誤差引 起的設(shè)備誤差。
3)掃描方式：MIPAS既能進(jìn)行方位角掃描，又 能進(jìn)行俯仰掃描，因此其采樣范圍比其它幾種設(shè)備 更廣。
4)裝配方式：ACE—FIS采用了獨(dú)特的三維封裝 裝配方式，這也是該設(shè)備體積小巧的另—個(gè)重要原因。