5月9日，大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪搭载于高分五号高光谱观测卫星顺利入轨。该载荷由中国航天科技集团有限公司五院508所研制，是国内首个采用太阳掩星观测方式的甚高光谱分辨率红外光谱仪，采用8倍光程放大的时间调制型干涉分光技术，光谱分辨率创国内新高，可直接获取大气痕量气体垂直分布信息的超光谱载荷，为我国的大气探测提供了全新的视角，为大气痕量气体观测研究、中高层大气物理和大气化学研究、临近空间环境研究提供更多更高质量的科学数据，服务于国家应对气候变化和环境问题的策略制定。

该探测仪的技术负责人徐彭梅介绍，研制历经原理样机、工程样机、初样电性、初样鉴定以及正样阶段，历时八年有余，平均年龄不到30岁的研制团队先后攻克了基于在轨高速图像处理的高精度太阳跟踪技术、低噪声大动态范围信号提取与处理技术、高精度系统测试和标定技术等多项关键技术，实现了甚高光谱分辨率、宽光谱覆盖和高灵敏度等多项优秀性能，该探测仪的成功发射是508所又一次光谱型号的成功验证，为实现国家高分辨率对地观测能力发挥重要价值。

掩日观测全新视角，精确跟踪分秒必争

掩星是一种天文现象，指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象。太阳掩星，即是在人造卫星与太阳之间，利用地球大气对太阳光的遮挡，获取大气中多种气体成分对太阳光的吸收光谱。当地球完全遮挡太阳，我们称卫星处于地球阴影区内。高分五号甚高探测仪所进行的太阳掩星观测，是从卫星刚刚飞出地球阴影时刻开始，探测仪的光轴保持对太阳的精确和稳定指向，直至太阳完全暴露于地球大气层外。这种观测模式的优点在于可以直接获取大气成分在不同高度的分布情况，利用光谱数据研究其物理和化学特性，为研究全球气候变化、大气环境变化等问题提供另一维度的数据支撑。

由于地心引力作用，大气中几乎全部气体都集中在离地面100公里的高度范围内。有限的观测高度对应有限的观测时间，为了充分利用“星上日出”的宝贵时段，高分五号甚高探测仪配备了高精度太阳跟踪系统，首次采用图像反馈自动跟踪系统，即利用可见光相机获取实时太阳图像，由跟踪系统内部的软件和算法进行在轨实时高速图像处理，控制二维转动机构，使得探测仪的指向镜光轴在全部观测时段都能精确对准太阳的辐射质心，也就是太阳的辐射能量中心。考虑到低层大气中云和湍流等影响会导致太阳图像的变形甚至分块，探测仪图像处理算法的设计能够很好地适应各种特殊情况，通过智能判断有效跟踪太阳质心，其跟踪精度优于0.1毫弧度。

数十种痕量气体成分精细分辨，八倍光程放大实现甚高光谱探测

大气中氮、氧、氩、二氧化碳占干空气的99.997%，其他仅占0.003%的成分则称为痕量气体，如氮氧化物、碳氢化合物、硫化物和氯化物等。它们虽然含量极少，却是参与大气中各种物理、化学、生物过程的主要角色，对全球大气环境及生态产生着重大影响，如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等无不与痕量气体有关。

高分五号甚高探测仪所采用的太阳掩星观测方式，其大气吸收光程，也就是仪器所探测太阳光在大气中经过的路径长度，通常是垂直对地观测路径长的4-5倍，可以探测到传统观测方式所无法发现的多种痕量成分，对于成分稀薄的中高层大气研究非常有利。为了获取尽可能丰富的吸收光谱信息，探测仪的谱段从短波红外的2.4微米一直覆盖至长波红外的13.3微米，囊括了二氧化碳和几十种大气痕量气体的吸收谱段。

除了谱段要够宽，具备极高的光谱分辨能力是能够精确区分和检测出这些成分的关键。探测仪的核心组件是一台双角镜摆臂式干涉仪，通过引入一个平面反射镜使干涉光路折叠，实现了干涉光程相对机构机械运动行程的8倍放大，光谱通道数多达11万多个，光谱分辨率最高达0.02纳米，创国内光谱仪分辨率水平之最，与国际先进水平比肩。

大动态、高灵敏，多措并举保障精确量化

我们知道，相机图像的动态范围越大，所能表现的层次越丰富，能同时记录的暗部细节和亮部细节也就越丰富。遥感器的动态范围反映了系统同时探测强信号和弱信号的能力。

对于常规对地观测的红外遥感器而言，长波红外谱段和中波红外谱段的输入能量通常可分别与温度300K和500K黑体的辐射能量相当。高分五号甚高探测仪的观测目标为太阳，太阳的能量约与温度5800K的黑体等效，探测信号的强度远大于对地观测遥感器。另一方面，探测仪在轨直接获取的是太阳光谱的干涉信号，入射光经干涉仪的分束镜均分为两路，这两路光信号所走过的行程由于机构的运动产生差异，即光程差。复色光的干涉信号在光程差为零时达到峰值，在光程差最大时信号又十分微弱，信号幅度相差悬殊，太阳光干涉信号的这一比值达到十万倍之高。因此，探测仪的动态范围设计必须满足太阳光干涉图中的极强和极弱信号的同时获取。

针对大动态范围、高精度和高速时间调制干涉信号的处理和采集，探测仪的电子学系统从各环节进行设计优化并采取有效抗干扰措施，解决了低噪声、大摆幅、宽频率范围的前置放大问题，信号电流的分辨能力达到纳安量级，从源头保证了仪器探测的高灵敏度；在后续数据获取环节采用高精度、大动态范围的模数转换方案，并根据信号特点进行一系列算法处理，实现了高性能的干涉数据采集。

这就是高分五号大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪，实现了短波红外至长波红外的连续光谱覆盖，是国内目前光谱分辨率以及光谱定标精度最高的光谱仪，为全球气候变化研究和大气环境监测提供重要科学依据。该探测仪的成功发射为实现高分专项“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”目标作出重要贡献，也将为世界环保和美丽中国建设再建新功。

（本文来源：北京空间机电研究所）