空問大氣成分探測傅立葉變換紅外光譜儀

空問大氣成分探測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傅立葉變換紅外光譜儀的國外發(fā)展?fàn)顩r，主要介紹了幾種 國外先進的高分辨率空間大氣探測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)缺點和技術(shù)特點。

1 引言 近年來，全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征 的顯著變化，它對世界包括中國的自然環(huán)境、社會經(jīng) 濟和國家安全等方面產(chǎn)生了重大影響。氣候變化，已 不僅是一個自然科學(xué)的前沿問題，還成為關(guān)系到社 會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展、軍事與國家安全、環(huán)境外交等 政治問題。通過大氣組分精細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)和動力學(xué)特l生的測定，是確定和分析地球氣候 系統(tǒng)變化和趨勢、氣候系統(tǒng)演變內(nèi)在驅(qū)動力、氣候系 統(tǒng)響應(yīng)和反饋機制以及氣候演變后果的重要參量。 風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀

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

2 空間大氣探測傅立葉變換紅外光譜 儀的國外發(fā)展?fàn)顩r 迄今為止，已研制成功的高分辨率空間大氣探 測傅立葉變換紅外光譜儀有美國噴氣推進實驗室 (JPIJ)研制的大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS)和對流 層放射光譜儀(TES)，德國研制的被動式邁克爾遜 干涉大氣探測儀(MIPAS)，加拿大ABB Bomem公司 研制的大氣化學(xué)實驗傅立葉變換紅外光譜儀(ACE — )以及法國國家空間研究中心(CNES)研制的 紅外大氣干涉探測器(IASI)。

2．1 大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS) 大氣軌跡分子光譜儀(ATMOS)是一個紅外吸收 型傅立葉變換紅外光譜儀，其設(shè)計意圖是用于研究 大氣的化學(xué)成分。ATMOS采用太陽掩星的模式在 太陽升起和降落時對對流層、平流層和中間層的組 成成分進行全球探測，同時還能{』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鋁制的基板上，這個 基板通過減振器安裝在一個基礎(chǔ)組件上。ATMOS包 括一個太陽跟蹤器、一個望遠鏡、一個干涉儀、一個紅 外探i貝4器和一個數(shù)據(jù)處理器。其光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。太陽跟蹤器始終保持儀器的視場對著太陽，望 遠鏡將光線收集進來并通過干涉儀進行處理，從干涉 儀出來的光線聚焦在紅外探測器上，經(jīng)探測器將其放 大、過濾、數(shù)字化后由數(shù)據(jù)記錄儀記錄下來。 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) 項目 指標(biāo) 項目 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時信噪比為100：1 掃描時間 2．2s 工作溫度 一5℃ 一+450(； 探測器類型 H dTe(77K) 瞬時視場(IFOV)(可選) 1，2或4mrad 望遠鏡直徑 7，5cm 分束器和補償器 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 對流層放射光譜儀(TES) 對流層放射光譜儀(TES)是一種用于測量地球表 面空氣中的氣體和微粒發(fā)射出的紅外光能量的分光 計。所有溫度高于絕對零度的物質(zhì)都能發(fā)射出紅外輻 射，分光計就是通過測量這些輻射來識別物質(zhì)。 TF_．S既能進行臨邊探測，又能進行天底角探測， 且它具有很高的光譜分辨率，因而能準(zhǔn)確地識別物 質(zhì)并給出其在大氣中的位置信息。通過測定待觀測 物質(zhì)的高度，TES可以區(qū)別來自大氣層上層和下層 的輻射，并集中在下面這一層——對流層。 TF_．S的光學(xué)系統(tǒng)主要分為4個子系統(tǒng)：萬向節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)、前置望遠系統(tǒng)、干涉儀和兩個焦平面光機 組件(FPOMA)。圖2給出的是TES的光學(xué)系統(tǒng)圖。 這兩個焦平面光機組件收集干涉模塊發(fā)射出來的干 涉圖信號，其中的帶通濾波片限制雜散光，并將輸出 信號匯集在焦平面上。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) 項目 指標(biāo) 項目 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 瞬時視場(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個斯特林循環(huán)冷卻器，加熱器，散熱器 動悉-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 被動式邁克爾遜干涉大氣探測儀(MIPAS) 被動式邁克爾遜干涉大氣探測儀(MIPAS)屬精 細分光遙感儀。在中波和熱紅外波段(4．15Van一 14．6tan)，采用臨邊探測方式對地球大氣對流層上 部到熱層之間的光化學(xué)相關(guān)痕量氣體進行全球測 量。 MIPAS的干涉儀具有4個特點： · 需要致冷 · 由光路來補償裝配誤差 · 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。通過望遠 鏡接收的信號直接進入干涉儀，通過分束鏡后以不 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)制信號是一個強制調(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) 項目 指標(biāo) 項目 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 瞬時視場(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 過降低光譜分辨率運行過。2005年1月以后，MIPAS 只能以40％左右的光譜分辨率進行間斷測量。

2．4 大氣化學(xué)實驗傅立葉變換紅外光譜儀(ACE— FIS) 大氣化學(xué)實驗傅立葉變換紅外光譜儀(ACE— rrs)由一臺傅立葉變換光譜儀(rrs)和兩個成像探 測器構(gòu)成，采用太陽掩星的探測方式對大氣中的微 量氣體、薄云、氣溶膠和溫度進行綜合性的測量，并 分析對對流層和同溫層中的臭氧分布起控制作用的 化學(xué)反應(yīng)和動態(tài)過程。 ACE一兀 采用折疊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使得 該光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，同時又具有很高的性能。該光 譜儀是一臺經(jīng)過改進的標(biāo)準(zhǔn)邁克爾遜干涉儀，采用 優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在視場為12．5mrad和孔徑為 100ram時，達到的信噪比超過100。ACE一兀 儀器 還包括一臺太陽跟蹤器，在太陽被地球大氣遮掩期 間，該跟蹤器能以優(yōu)于15t,-rad的穩(wěn)定性使紅外光譜 儀和成像器對準(zhǔn)太陽的輻射中心。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) 項目 指標(biāo) 項目 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 1．25mrad 透過率不確定度(ⅡIls) 1％ 信噪比 100～6oo(平均300) 噪聲等效輻射度 <0．5％(5800K) 探測器致冷 主動式<100K(80～90K) 質(zhì)量 <40kg 功耗 <4ow(平均37W) 體積 53em×45era×25em 探測 ● ～ HgCdTe 5 5 13tan 垂直高度分辨率 3～4km 垂直高度范圍 10～100kin

1 2．5 紅外大氣干涉探測器( I J 紅外大氣干涉探測器(IASI)將提供高精度的溫 度、濕度和大氣成分測量數(shù)據(jù)。IASI的外形結(jié)構(gòu)圖 如圖5所示。 IASI通過測量地表大氣系統(tǒng)的紅外輻射光譜， 主要提供以下數(shù)據(jù)： 對流層和同溫層底部的大氣溫度廓線； · 對流層的水蒸氣廓線； · 臭氧總量及其垂直分布廓線； · 云覆蓋度、云頂溫度和壓力。 IASI的探測模式為天底角探測，如圖6所示。 圖5 紅外大氣干涉探測器(IASI) 構(gòu) 鏡 射器 激光 沒備 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鏡，二 者均為角鏡，D為探測器。 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) 項目 指標(biāo) 項目 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) 刈幅 50kin×50kin 空間分辨率 12kin×12kin 光程差 ±2em 陣列結(jié)構(gòu) 2×2 瞬時視場(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 上述5種儀器在探測模式、探測目標(biāo)、光路和結(jié) 構(gòu)設(shè)計等各方面都各有優(yōu)缺點和設(shè)計特點。
(1)探測模式 TES既能采用天底角的觀測模式，又能采用臨 邊觀測模式，因此其掃描范圍比較寬。但由于這兩 種觀測方式是交替進行的，所以每種觀測方式得到 的數(shù)據(jù)都不是連續(xù)的。而MIPAS采用臨邊探測模 式，24小時不問斷的進行觀測，所以可以獲得比較 連續(xù)的數(shù)據(jù)。IASI采用天底角探測模式，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 則采用太陽掩星的探測模式，這種探測模式不需要 另外設(shè)計校準(zhǔn)黑體，直接利用太陽作為校準(zhǔn)黑體，從 而可以減小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。
(2)探測目標(biāo) 5種設(shè)備的探測目標(biāo)都是大氣的化學(xué)成分，但 它們的探測高度及主要探測目標(biāo)各不相同。ATMOS 能夠探測對流層、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 的探測目標(biāo)是對流層的臭氧(首要探測目標(biāo))及其光 化學(xué)體(參與形成和破壞臭氧的化學(xué)物質(zhì))，同時還 能輔助HIRDLS測量同溫層的化學(xué)物質(zhì)。MIPAS則 對地球大氣對流層上部到熱層之間的光化學(xué)相關(guān)痕 量氣體進行全球測量。ACE—Frs是對大氣中的痕 量氣體、薄云、氣溶膠和溫度進行綜合性的測量，并 分析對對流層和同溫層中的臭氧分布起控制作用的 化學(xué)反應(yīng)和動態(tài)過程。IASI則提供高精度的溫度、 濕度和大氣成分測量數(shù)據(jù)。
(3)光路設(shè)計
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)計方案直接影響設(shè)備的性能。 ATMOS利用兩個貓眼反射鏡以等距離反方向的 50cm／s的速率的移動來實現(xiàn)光程差，這種方法可以 將機械掃描速率減小到原來的一半，并能消除常規(guī) 模式的影響，還能提供一個一階速率修正值。TES、 MIPAS和IASI的干涉儀運動方式均為直線運動，因 此為了達到很高的分辨率就必須實現(xiàn)很長的光程 差，這樣一來，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掃描和折疊式光路設(shè) 計，從而實現(xiàn)8倍光路放大，這樣即使設(shè)備在±15。 的角度內(nèi)擺動，卻能實現(xiàn)±25cm的光程差，從而使 光譜分辨率達到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)計時考 慮了校準(zhǔn)黑體的設(shè)計，而ATMOS和ACE—Frs則由 于采用太陽掩星的探測模式，直接使用太陽作為校 準(zhǔn)黑體，因此，不需另外設(shè)計校準(zhǔn)黑體。并且由于太 陽的輻射在短時間內(nèi)可以認(rèn)為是沒有變化的，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既能進行方位角掃描，又 能進行俯仰掃描，因此其采樣范圍比其它幾種設(shè)備 更廣。
4)裝配方式：ACE—FIS采用了獨特的三維封裝 裝配方式，這也是該設(shè)備體積小巧的另—個重要原因。