空问大气成分探测傅立叶变换红外光谱仪

空问大气成分探测傅立叶变换红外光谱仪
摘 要 文章阐述了用于空间大气成分探测傅立叶变换红外光谱仪的国外发展状况，主要介绍了几种 国外先进的高分辨率空间大气探测用傅立叶变换红外光谱仪的结构、应用范围和技术指标，比较了这几种 设备的优缺点和技术特点。

1 引言 近年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征 的显著变化，它对世界包括中国的自然环境、社会经 济和国家安全等方面产生了重大影响。气候变化，已 不仅是一个自然科学的前沿问题，还成为关系到社 会、经济的可持续发展、军事与国家安全、环境外交等 政治问题。通过大气组分精细研究大气圈的大气物 理、大气化学，在气候变化研究中占有重要地位，其相 关数据和动力学特l生的测定，是确定和分析地球气候 系统变化和趋势、气候系统演变内在驱动力、气候系 统响应和反馈机制以及气候演变后果的重要参量。 风速计| 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计| 红外线测温仪| 温湿度仪| 红外线温度计| 露点仪| 亮度计| 温度记录仪| 温湿度记录仪

实现绝大多数大气成分精细结构探测的指标 为：①探测区域高度5～lOOkm；②光谱范围为中远 红外波段；③光谱分辨率在0．05cm 量级。为了满 足大气成分探测的功能、性能要求，必须发展超高光 谱分辨率的光谱技术。目前，能够同时满足如此高 的光谱分辨率和宽光谱条件，时间调制型的傅立叶 变换红外光谱仪是理想的选择。

2 空间大气探测傅立叶变换红外光谱 仪的国外发展状况 迄今为止，已研制成功的高分辨率空间大气探 测傅立叶变换红外光谱仪有美国喷气推进实验室 (JPIJ)研制的大气轨迹分子光谱仪(ATMOS)和对流 层放射光谱仪(TES)，德国研制的被动式迈克尔逊 干涉大气探测仪(MIPAS)，加拿大ABB Bomem公司 研制的大气化学实验傅立叶变换红外光谱仪(ACE — )以及法国国家空间研究中心(CNES)研制的 红外大气干涉探测器(IASI)。

2．1 大气轨迹分子光谱仪(ATMOS) 大气轨迹分子光谱仪(ATMOS)是一个红外吸收 型傅立叶变换红外光谱仪，其设计意图是用于研究 大气的化学成分。ATMOS采用太阳掩星的模式在 太阳升起和降落时对对流层、平流层和中间层的组 成成分进行全球探测，同时还能{』n0量10～150km高 度范围内复杂化学和发射的相互作用的气体浓度。 AT OS由霍尼威尔光电中心(HEOC)制造，该仪 器主要由以下两部分组成：光传感器和电子学组件。 所有光传感器元件都安装在一个铝制的基板上，这个 基板通过减振器安装在一个基础组件上。ATMOS包 括一个太阳跟踪器、一个望远镜、一个干涉仪、一个红 外探i贝4器和一个数据处理器。其光学结构图如图1 所示。太阳跟踪器始终保持仪器的视场对着太阳，望 远镜将光线收集进来并通过干涉仪进行处理，从干涉 仪出来的光线聚焦在红外探测器上，经探测器将其放 大、过滤、数字化后由数据记录仪记录下来。 ATMOS的主要技术指标如表1所示。 图1 ATMOS光学结构图 表1 ATMOS的技术指标 项目 指标 项目 指标 分光类型 干涉傅立叶变换 光谱范围 2．2—16tm~ 最大光程差 -4-48cm 最高分辨率0．013cm (未切趾) 灵敏度4I~rn时信噪比为100：1 扫描时间 2．2s 工作温度 一5℃ 一+450(； 探测器类型 H dTe(77K) 瞬时视场(IFOV)(可选) 1，2或4mrad 望远镜直径 7，5cm 分束器和补偿器 溴化钾 光束直径(内部) 2．5cm 数据率 16Mbit／s 质量 250kg 功率 360W 光路误差控制 稳定He／Ne激光器

2．2 对流层放射光谱仪(TES) 对流层放射光谱仪(TES)是一种用于测量地球表 面空气中的气体和微粒发射出的红外光能量的分光 计。所有温度高于绝对零度的物质都能发射出红外辐 射，分光计就是通过测量这些辐射来识别物质。 TF_．S既能进行临边探测，又能进行天底角探测， 且它具有很高的光谱分辨率，因而能准确地识别物 质并给出其在大气中的位置信息。通过测定待观测 物质的高度，TES可以区别来自大气层上层和下层 的辐射，并集中在下面这一层——对流层。 TF_．S的光学系统主要分为4个子系统：万向节 光学系统、前置望远系统、干涉仪和两个焦平面光机 组件(FPOMA)。图2给出的是TES的光学系统图。 这两个焦平面光机组件收集干涉模块发射出来的干 涉图信号，其中的带通滤波片限制杂散光，并将输出 信号汇集在焦平面上。此外，该光学系统还包括校 准黑体和参考激光源。 图2 TES的光学结构图 TES的主要技术指标如表2所示。 表2 TES的技术指标 项目 指标 项目 指标 分光类型 干涉傅立叶变换 临边模式 覆盖高度=0—34km 光谱范围 3．2—15．4tma 光谱 ． 辨率 14 8 c (临边) cm m ： ；； 空间分辨率 光程差 ； ： 扫描咖 信噪比 600：1，最低要求：30：1 高度分辨率 2．3km 瞬时视场(咧) 12mrad×7．5mrad 阵列结构 1×16 调制度 >0．7 辐射度精度 ≤1k 数据率 6．2Mbit／s(最高)，4．5Mbit／s(平均) 热量控制 2个斯特林循环冷却器，加热器，散热器 动悉-干涉范围 <16bit 周期任务 可变 光圈直径 5cm 光谱精度 ±O．00025cm～1 功率 334W 质量 385ks 外形尺寸 1．Omx 1．3mx 1．4m 寿命 5年(在轨)

2．3 被动式迈克尔逊干涉大气探测仪(MIPAS) 被动式迈克尔逊干涉大气探测仪(MIPAS)属精 细分光遥感仪。在中波和热红外波段(4．15Van一 14．6tan)，采用临边探测方式对地球大气对流层上 部到热层之间的光化学相关痕量气体进行全球测 量。 MIPAS的干涉仪具有4个特点： · 需要致冷 · 由光路来补偿装配误差 · 双边干涉图 · 双输入和双输出 MIPAS的光学系统包括前置光学系统(方位角 扫描单元、垂直扫描单元和接收望远镜)、迈克尔逊 干涉仪、焦平面子系统、校准黑体和参考激光源。 图3给出的是MIPAS的光学系统结构图。通过望远 镜接收的信号直接进入干涉仪，通过分束镜后以不 变的速率直接射入立体角镜。由于干涉仪两臂之间 的光程差，调制信号是一个强制调制干涉图。标准 黑体被安装在方位角扫描单元中，它用于仪器响应 度的飞行校准。 MIPAS的主要技术指标如表3所示。 图3 MIPAS的光学结构图 表3 MIPAS的技术指标 项目 指标 项目 指标 分光类型 干涉傅立叶变换 光谱稳定度 1天之内0．001eraI1 光谱范围 4．15～14．6tma 光谱分辨率0．035cm一 探测器工作温度 65～75K 视线瞄准 正切高度1．8km 操作 轨道连续 视线稳定度 正切高度500m／4s 瞬时视场(IFOV) 3km×30kin(高×宽) 垂直扫描范围 地平线上5～150kin(切线高度) 俯仰扫描范围 5～150krn(正切临边高度) 方位扫描范围 相对于飞行方向8IY～1 ，160’～195’ 数据率 533Mbit／s，原始数据8Mbit／s 辐射准确度 依波长2NE +源辐射率2％～5％ 功率 210W 质量 320l【g MIPAS由于其角镜装置出现问题，于2004年3月 26日关闭。自此，MIPAS仅在2004年8月和12月通 过降低光谱分辨率运行过。2005年1月以后，MIPAS 只能以40％左右的光谱分辨率进行间断测量。

2．4 大气化学实验傅立叶变换红外光谱仪(ACE— FIS) 大气化学实验傅立叶变换红外光谱仪(ACE— rrs)由一台傅立叶变换光谱仪(rrs)和两个成像探 测器构成，采用太阳掩星的探测方式对大气中的微 量气体、薄云、气溶胶和温度进行综合性的测量，并 分析对对流层和同温层中的臭氧分布起控制作用的 化学反应和动态过程。 ACE一兀 采用折叠式的结构设计，从而使得 该光谱仪结构紧凑，同时又具有很高的性能。该光 谱仪是一台经过改进的标准迈克尔逊干涉仪，采用 优化的光学结构，在视场为12．5mrad和孔径为 100ram时，达到的信噪比超过100。ACE一兀 仪器 还包括一台太阳跟踪器，在太阳被地球大气遮掩期 间，该跟踪器能以优于15t,-rad的稳定性使红外光谱 仪和成像器对准太阳的辐射中心。ACE一兀 的光 路结构图如图4所示。 图4 ACE—FIS的光路结构图 ACE一17PS的主要技术指标如表4所示。 表4 ACE—FTS的技术指标 项目 指标 项目 指标 分光类型 干涉傅立叶变换 光谱稳定度(Ⅱlls) 3×10一 (180s) 光谱范围 2．4—13．3／ml 光谱分辨率 0．02cm 摆扫周期 2，1，0．5，0．1s 视场 1．25mrad 透过率不确定度(ⅡIls) 1％ 信噪比 100～6oo(平均300) 噪声等效辐射度 <0．5％(5800K) 探测器致冷 主动式<100K(80～90K) 质量 <40kg 功耗 <4ow(平均37W) 体积 53em×45era×25em 探测 ● ～ HgCdTe 5 5 13tan 垂直高度分辨率 3～4km 垂直高度范围 10～100kin

1 2．5 红外大气干涉探测器( I J 红外大气干涉探测器(IASI)将提供高精度的温 度、湿度和大气成分测量数据。IASI的外形结构图 如图5所示。 IASI通过测量地表大气系统的红外辐射光谱， 主要提供以下数据： 对流层和同温层底部的大气温度廓线； · 对流层的水蒸气廓线； · 臭氧总量及其垂直分布廓线； · 云覆盖度、云顶温度和压力。 IASI的探测模式为天底角探测，如图6所示。 图5 红外大气干涉探测器(IASI) 构 镜 射器 激光 没备 图6给出的是IASI的光学系统图。图中A为分束 器／*b偿器装置，B、c分别为固定反射镜和动镜，二 者均为角镜，D为探测器。 图6 IASI的光学系统图 IASI的主要技术指标如表5所示。 表5 IASI的技术指标 项目 指标 项目 指标 分光类型 干涉傅立叶变换 光谱分辨率0．35～0．5 cin一1 光谱范围 3．62～15．5tnn 辐射度精度0．1—0．5K(280K时) 刈幅 50kin×50kin 空间分辨率 12kin×12kin 光程差 ±2em 阵列结构 2×2 瞬时视场(WOV) 47mrad×47mrad 数据率 1．5Mbit／s 功率 200W 质量 210kg 外形尺寸 1．2m×1．1m×1．1m 寿命 5年(在轨)

2．6 结束语 上述5种仪器在探测模式、探测目标、光路和结 构设计等各方面都各有优缺点和设计特点。
(1)探测模式 TES既能采用天底角的观测模式，又能采用临 边观测模式，因此其扫描范围比较宽。但由于这两 种观测方式是交替进行的，所以每种观测方式得到 的数据都不是连续的。而MIPAS采用临边探测模 式，24小时不问断的进行观测，所以可以获得比较 连续的数据。IASI采用天底角探测模式，可以获得 地面到仪器高度范围内的数据，如果和成像仪结合 使用则具有重要的军事意义。ATMOS和ACE—Frs 则采用太阳掩星的探测模式，这种探测模式不需要 另外设计校准黑体，直接利用太阳作为校准黑体，从 而可以减小系统的结构尺寸。
(2)探测目标 5种设备的探测目标都是大气的化学成分，但 它们的探测高度及主要探测目标各不相同。ATMOS 能够探测对流层、平流层和中间层的大气化学组成 成分，主要有03、N20、CH4、H20和NOy家族等。TES 的探测目标是对流层的臭氧(首要探测目标)及其光 化学体(参与形成和破坏臭氧的化学物质)，同时还 能辅助HIRDLS测量同温层的化学物质。MIPAS则 对地球大气对流层上部到热层之间的光化学相关痕 量气体进行全球测量。ACE—Frs是对大气中的痕 量气体、薄云、气溶胶和温度进行综合性的测量，并 分析对对流层和同温层中的臭氧分布起控制作用的 化学反应和动态过程。IASI则提供高精度的温度、 湿度和大气成分测量数据。
(3)光路设计
1)干涉仪：干涉仪部分是傅立叶变换红外光谱 仪的核心部分，其设计方案直接影响设备的性能。 ATMOS利用两个猫眼反射镜以等距离反方向的 50cm／s的速率的移动来实现光程差，这种方法可以 将机械扫描速率减小到原来的一半，并能消除常规 模式的影响，还能提供一个一阶速率修正值。TES、 MIPAS和IASI的干涉仪运动方式均为直线运动，因 此为了达到很高的分辨率就必须实现很长的光程 差，这样一来，设备结构尺寸随之加大。而ACE— Frs的干涉仪采用小角度摆动扫描和折叠式光路设 计，从而实现8倍光路放大，这样即使设备在±15。 的角度内摆动，却能实现±25cm的光程差，从而使 光谱分辨率达到0．02cm～，并且使设备结构紧凑， 体积小巧。
2)校准黑体：TES、MIPAS和IASI都在设计时考 虑了校准黑体的设计，而ATMOS和ACE—Frs则由 于采用太阳掩星的探测模式，直接使用太阳作为校 准黑体，因此，不需另外设计校准黑体。并且由于太 阳的辐射在短时间内可以认为是没有变化的，所以 可以作为标准黑体使用，因此可减小因黑体误差引 起的设备误差。
3)扫描方式：MIPAS既能进行方位角扫描，又 能进行俯仰扫描，因此其采样范围比其它几种设备 更广。
4)装配方式：ACE—FIS采用了独特的三维封装 装配方式，这也是该设备体积小巧的另—个重要原因。