CN115128015A - 基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，包括：碳监测卫星运行于低地球轨道，利用碳监测卫星上装载的碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测，定量监测碳源信息和碳汇信息；所述高分辨率包括高光谱分辨率和在高光谱分辨率的条件下的高空间分辨率；其中，碳监测卫星在轨建立成像姿态，碳监测光谱通过推扫指定区域获取二维空间信息和高光谱辐射亮度信息，地面应用系统基于获取的指定区域的二维空间信息和高光谱辐射亮度信息生成高光谱数据立方体；基于高光谱数据立方体开展定量反演，获取指定区域的碳源信息和碳汇信息。
Description
技术领域
本发明涉及碳卫星观测技术领域，具体地，涉及基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，更为具体地，涉及一种利用线性渐变滤光片作为基本元件的高光谱遥感碳监测卫星。
背景技术
从太空维度进行广域、高精度、低成本的碳监测，是碳排放数据获取的重要组成部分。遥感技术可用于温室气体浓度监测、排放源监测、碳汇监测等。目前通过卫星遥感手段可以达到追踪高能耗排放的监测，同时进行宏观碳排放计算，如风能，太阳能的工厂，以及平台所能提供的碳中和的量，通过遥感卫星可以很精确计算到每一个区域的风能带来多少电量，光伏带来多少电量，同时林地、湿地、海洋环境可以带来多少碳的中和量，都可以进行量化性地计算，实现碳吸收、碳监测、碳减排。因此，利用卫星遥感技术得到的具备超高时空分辨率的碳排放数据价值潜力巨大，它将帮助政策制定者从行业、空间、时间等多个维度构建起对碳源、排放路径、排放量等关键因素的系统认知，这是制定科学合理的减排方案的前提和基础。
潘俏,朱嘉诚,杨子江,顾凌军,陈新华,沈为民.星载高光谱碳监测光学载荷的研究进展.航天返回与遥感,2021,42(6),34-44.介绍了2003年以来，国内外在轨和在研的星载高光谱碳监测光学载荷的最新研究进展，综述了在轨综合性碳监测光学载荷、在轨专用碳监测光学载荷、星载轻小型碳监测光学载荷的探测体制和指标参数。文中并未提到基于线性渐变滤光片的星载高光谱碳监测光学载荷，说明本发明具有较强创新型性。
2016年6月，加拿大公司“GHGsat Inc.”发射了名为GHGSat-D的高分辨率卫星，观测地球二氧化碳与甲烷浓度。该卫星是新一代温室气体监测卫星，总成本仅为前述几个温室气体测量任务的1%，重量仅15公斤，空间分辨率优于50米，用于监测目标温室气体排放源，例如区域排放源（尾矿和垃圾填埋场）和工厂烟囱（燃烧和通风等排放物）。JERVIS,Dylan,et al.The GHGSat-D imaging spectrometer.Atmospheric MeasurementTechniques,2021,14.3:2127-2140.介绍了该卫星上装载的高光谱遥感仪器设计方案，美国专利US10012540B2“Fabry-Perot Interferometer Based Satellite Detection ofAtmospheric Trace Gases”公开了该卫星所应用的一种基于法布里伯罗干涉仪的大气痕量气体探测方法。该卫星技术方案的一个显著特点是遥感仪器采用了一个具有两片平行玻璃板的法布里伯罗标准具作为窄带滤波和分光装置。相比于本发明，该方法有以下缺点：1）结构复杂、成本高。如美国专利US10012540B2中的介绍，该干涉仪包括多个组件，加工复杂、成本高。由于该仪器对两块玻璃的平行度有极其严格的要求，在卫星发射振动和在轨运行中容易受到外部干扰而降低性能。而本发明所提出的线性渐变滤光片只是一片在基底镀膜的石英玻璃，结构简单、成本低、环境适应性强。2）光谱性能差。如美国专利US10012540B2中的介绍，根据法布里伯罗标准具的特性，只能在探测器上形成若干同心环形干涉条纹，分别对应于若干离散的窄带模式。越接近圆心的环形干涉条纹半径越小，导致多光谱对地遥感探测的实际幅宽变窄，降低了探测效率。而本发明所提出的线性渐变滤光片可以获得近乎连续的高光谱分辨率数据，所有波段的幅宽均等于探测器最大幅宽。3）覆盖范围小。如美国专利US10012540B2中的介绍，该卫星仅能对星下点12公里内区域进行探测。而本发明所提出的卫星可通过侧摆机动拓宽碳监测光谱仪对地覆盖范围，同样条件下可对星下点周围600公里范围的任意地点进行探测。综上，本发明相比于加拿大公司GHGSat系列卫星所公布的技术方案有显著不同，且有较大优势。
专利文献CN111598407A（申请号：202010323318.9）公开了一种碳卫星任务规划的系统及方法，能够将卫星工作模式编辑成有效的任务序列，以满足卫星的观测要求和定标要求。其主要目的是为了保证卫星观测数据有效、提高定标精度。并未对高光谱遥感碳监测卫星的技术特征、遥感仪器核心分光元件特征等进行阐述。
专利文献CN104834823B（申请号：201510251620.7）公开了基于卫星-地基CO2数据联合同化的碳源汇估测方法，通过引进柱浓度同化方案，构建基于卫星柱浓度及地基站点观测数据为基础的卫星-地基CO2联合同化方法。主要目的是将卫星数据和地基数据同时加入大气反演模型，从而提高区域碳源/汇估算精度。其主要特征在于利用卫星的探测数据开展应用，并未对卫星和遥感仪器的技术特征进行阐述。
专利文献US10436710B2（申请号：US16183045）公开了一种用于气体安全和排放监测的扫描红外传感器，主要用于在地面扫描含有天然气的场地和相关基础设施，快速检测、定位、成像和量化碳氢化合物泄漏的数量和速率。该传感器的主要特征在于采集气体光谱数据通过多个带通滤光片以及对应的探测器收集，对目标扫描采用精密云台、共振振动镜、电机驱动镜或微加工镜阵列机械装置来完成。并未对通过空间遥感进行碳监测进行阐述，所采用的仪器核心分光元件也有本质性区别。
熊伟.星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷.航天返回与遥感,2018,39(3),14-24.公开了2016年发射的“高分五号”卫星上装载的大气主要温室气体监测仪（GMI），一种采用新型空间外差光谱技术（SHS）实现CO2、CH4等温室气体的超光谱探测。该仪器最高光谱分辨率达到0.035nm，但所采用的空间外差干涉仪由分束器、隔片、扩场透镜、光栅等十个光学元件胶合而成，对应力敏感。为了适应卫星发射过程所受到冲击、振动，以及在轨温度梯度变化和辐照等诸多因素的影响，空间外差干涉仪加工制造复杂、成本高。本发明所提出的线性渐变滤光片结构简单，具有较高的稳定性，光谱分辨率足以满足温室气体监测的需求。
李文杰,王成良,郑新波,石斌斌,欧阳琰.基于线性渐变滤光片的成像光谱仪综述.红外,2015,36(3),1-7.介绍了基于线性渐变滤光片成像光谱仪的概念、分类与工作原理，对其优势和适用领域进行了分析。王颖,巩岩.线性渐变滤光片型多光谱成像光谱仪设计[J].激光与光电子学进展,2016,53(1):013003、Renhorn, I. G., Bergström, D.,Hedborg, J., Letalick, D., & Möller, S. High spatial resolution hyperspectralcamera based on a linear variable filter. 2016, Optical Engineering, 55(11),114105.公开了基于线性渐变滤光片的成像光谱仪设计方法，包含系统结构与原理、系统参数等。但这些文献均并未提及线性渐变滤光片的加工方式、在光谱仪上的安装方式、利用前置带通滤光片降低干扰、通过卫星滚动侧摆扩大对地成像覆盖范围等特征。本发明所公开的方法在传统方法上有较多改进，更适用于遥感碳监测场景。
本发明逻辑清晰，特征明显，实用性强。将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，可实现高光谱遥感碳监测卫星的小型化和低成本，同时提高了信噪比、可靠性和空间分辨率。本发明展现出了良好的应用前景，在天基遥感碳监测领域具有较高的应用价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星。
根据本发明提供的一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，包括：碳监测卫星运行于低地球轨道，利用碳监测卫星上装载的1台或多台碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测，定量监测碳源信息和碳汇信息；所述高分辨率包括高光谱分辨率和在高光谱分辨率的条件下的高空间分辨率；
所述碳监测光谱仪包括线性渐变滤光片、镜头组件、面阵探测器以及光谱仪主体；
所述面阵探测器安装在所述碳监测光谱仪主体上；
所述线性渐变滤光片通过光学耦合胶粘贴在所述面阵探测器前端；
所述镜头组件安装于所述光谱仪主体上；
所述线性渐变滤光片位于面阵探测器以及镜头组件之间；
所述线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，中心波长沿着其厚度变化方向呈线性变化，实现高光谱分辨率；再通过所述面阵探测器实现高光谱分辨率条件下的高空间分辨率，便于碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测。
优选地，所述高光谱分辨率是光谱分辨率优于1纳米；所述高空间分辨率是在光谱分辨率优于1纳米的基础上，空间分辨率优于100米。
其中，碳监测卫星在轨建立成像姿态，碳监测光谱通过推扫指定区域获取二维空间信息和高光谱辐射亮度信息，地面应用系统基于获取的指定区域的二维空间信息和高光谱辐射亮度信息生成高光谱数据立方体；基于高光谱数据立方体开展定量反演，获取指定区域的碳源信息和碳汇信息。
优选地，所述线性渐变滤光片通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成。
优选地，所述镜头组件包括镜筒、复合透镜以及带通滤波片；
所述复合透镜安装在所述镜筒的内部；
所述镜筒内壁设有内螺纹、镜筒内壁喷砂成磨砂面，并进行光学吸光发黑处理，从而实现削弱杂散光；
所述带通滤波片安装于复合透镜前端，用于过滤起始工作波长与结束工作波长之外的光线。
优选地，线性渐变滤光片的起始工作波长、结束工作波长是基于选择的被探测气体透射比曲线确定吸收峰光谱位置；根据面阵探测器感光特性曲线和被探测气体的吸收峰光谱位置确定起始工作波长和结束工作波长，使线性渐变滤光片的光谱范围位于面阵探测器感光特性以及被探测气体吸收峰满足预设要求的位置；
所述线性渐变滤光片的光谱分辨率是根据面阵探测器的尺寸、分辨率、采样时间以及频次确定。
优选地，碳监测卫星上的碳监测光谱仪在地面时以及碳监测卫星上的碳监测光谱仪发射至太空在轨时，均需要进行辐射定标、光谱定标以及几何定标；
所述辐射定标是碳监测光谱仪对已知亮度的均匀辐射源进行成像，确定面阵探测器对不同辐射强度的响应，抵消线性渐变滤光片与探测器表面干涉产生的明暗条纹；
所述光谱定标是碳监测光谱仪对具有特定光谱特征的辐射源进行成像，确定不同波长入射光线在面阵探测器上的响应位置；
所述几何定标是碳监测光谱仪对具有几何形状特征的固定远场目标成像，确定面阵探测器像元之间的几何关系。
优选地，将碳监测卫星上的碳监测光谱仪在轨获得的碳监测数据与地面的气体传感器测量数据以及其他碳监测卫星的探测数据进行比对，定期修正辐射定标误差、光谱定标误差以及几何定标误差。
优选地，在飞临指定区域之前碳监测卫星提前通过姿态机动从常规飞行姿态转为成像姿态，在对指定区域成像过程中碳监测卫星采用三维姿态引导，在成像结束后碳监测卫星通过姿态机动返回常规飞行姿态。
优选地，所述三维姿态引导包括：滚动侧摆方法、偏航导引方法和俯仰相移补偿方法；
所述滚动侧摆方法是在卫星滚动方向偏置固定角度，碳监测卫星飞过指定区域上方时，使碳监测光谱仪视轴能够扫过指定区域，从而扩大碳监测卫星的对地覆盖范围；当指定区域恰好位于星下点轨迹上时，所述滚动方向偏置固定角度为0；
所述偏航导引方法是在卫星通过偏航方向进行姿态导引的方式消除地球自转对图像的影响，使卫星滚动轴位于卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成的平面内，保证对地扫描方向与碳监测光谱仪中线性渐变滤光片的渐变方向保持一致，从而提高光谱成像数据的几何一致性；
所述俯仰相移补偿方法是在卫星飞临目标区域时，卫星俯仰轴绕着卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成平面的法线方向摆动，增加对指定区域的成像驻留时间，从而提高信噪比。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将线性渐变滤光片与卫星遥感相结合，实现了高光谱遥感碳监测卫星的小型化，同时线性渐变滤光片是一片在基底镀膜的石英玻璃，结构简单、成本低、环境适应性强，因此，可靠性更高；
2、本发明通过线性渐变滤光片实现高光谱分辨率，再通过面阵探测器实现高光谱分辨率下的高空间分辨率；
3、本发明碳监测卫星通过俯仰相移补偿方法增加对指定区域的成像驻留时间，从而提高了信噪比；
4、利用本发明技术可以将碳监测的范围精确到几十米，从而精确追踪高能耗排放工厂、矿山、油井的具体位置和排放量，同时可以很精确计算林地、湿地、海洋环境带来的碳中和量，实现碳吸收、碳监测、碳减排；
5、利用现有技术达到同样效果需要花费至少几亿元、发射重达1吨的卫星才能实现，因此利用本发明能够节约成本，同时本发明展现出了良好的应用前景，在天基遥感碳监测领域具有较高的应用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是碳监测卫星对指定区域观测示意图。
图2是碳监测光谱仪组成原理示意图。
图3是被探测器气体的透射比曲线。
图4是探测器的感光特性曲线。
图5是线性渐变滤光片透射率曲线。
图6是带通滤光片透射率曲线。
其中，1--光谱仪主体；2--面阵探测器；3--线性渐变滤光片；4--复合透镜；5--镜头组件；6--镜筒；7--带通滤光片；8--光耦合胶；9--碳监测卫星；10--碳排放源；11--指定区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的目的在于以“双碳”目标为背景，提升卫星遥感碳监测能力，提出了一种利用卫星遥感获取高分辨率碳监测数据的方法。
根据本发明提供的一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，如图1所示，包括：
碳监测卫星9运行于低地球轨道（卫星飞行轨道），利用碳监测卫星9上装载的碳监测光谱仪对指定区域11的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测，定量监测碳排放源10的碳源信息和碳汇信息；所述高分辨率包括高光谱分辨率和在高光谱分辨率的条件下的高空间分辨率；
如图2所示，所述碳监测光谱仪包括：光谱仪主体1、镜头组件5、面阵探测器2以及线性渐变滤光片3；
所述面阵探测器2安装于所述光谱仪主体1上；所述线性渐变滤光片3通过光学耦合胶粘贴在所述面阵探测器2上；所述镜头组件5安装于所述光谱仪主体1上的；线性渐变滤光片3位于镜头组件5和面阵探测器2之间；其中，通过光学耦合胶将线性渐变滤光片3和面阵探测器2之间进行连接，线性渐变滤光片3安装在面阵探测器2上的操作较为方便，光学耦合胶的透光率较高，能够避免对线性渐变滤光片和面阵探测器的使用造成影响。
具体地，通过线性渐变滤光片3作为碳监测光谱仪的分光元件进行分光，中心波长会沿着其厚度变化方向呈线性变化，能够实现高光谱分辨率；再通过面阵探测器2实现高光谱分辨率条件下的高空间分辨率，便于碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测。
具体地，在基于线性渐变滤光片的碳监测光谱仪中，面阵探测器2的表面上安装一块线性渐变滤光片3，面阵探测器2的每一行像元所接收到的光谱波长与相应位置上线性渐变滤光片3的透过波长相对应，每一列像元在不同的空间位置上进行采样，面阵探测器2通过光学设计，每个像元对应张角较小，对应地面分辨率小于100米，碳监测卫星9通过推扫方式可以得到完整的地物目标光谱图像，实现高光谱分辨率条件下的高空间分辨率。
其中，碳监测卫星9在轨建立成像姿态，碳监测光谱通过推扫指定区域获取二维空间信息和高光谱辐射亮度信息，地面应用系统基于获取的指定区域的二维空间信息和高光谱辐射亮度信息生成高光谱数据立方体；基于高光谱数据立方体开展定量反演，获取指定区域11的碳源信息和碳汇信息。
在本实施例中，所述低地球轨道（卫星飞行轨道）是一个以地球为中心的轨道，其高度不超过2000公里（约为地球半径的三分之一），或每天至少有11~16个周期（轨道周期为90~128分钟），偏心率小于0.25；
所述高分辨率是指具有高光谱分辨率和在高光谱分辨率的条件下的高空间分辨率；且高光谱分辨率通过碳监测光谱仪中线性渐变滤光片分光实现，高空间分辨率通过碳监测光谱仪中面阵探测器推扫成像实现。所述高光谱分辨率是光谱分辨率优于1纳米；所述高空间分辨率是在光谱分辨率优于1纳米的基础上，空间分辨率优于100米。在本实施例中，光谱分辨率不大于0.2nm；空间分辨率不大于35m。
所述碳源信息包括碳排放源10的源强、排放量、扩散羽流等信息，用于监测自然环境和人类活动向大气中释放碳的过程、活动或机制。其中，碳源监测原理：入射光在穿过一种温室气体后，该光谱中红外部分的某些波段会比其他波段更暗。光谱仪的一个维度用于光谱色散，另一维度用于空间成像。通过光谱细分，对暗波段的成像识别温室气体浓度。
所述碳汇信息包括植被生长状态、植被光合作用固碳及植被胁迫状态等信息，用于监测森林植物吸收并储存二氧化碳的能力。其中，碳汇监测原理：绿色植物在光合作用时释放波长位于650~800nm的光，称为太阳诱导叶绿素荧光。利用高光谱相机测量叶绿素荧光对吸收线的填充效应，从而对碳汇进行遥感监测。
具体地，所述碳监测卫星上装载1台碳监测光谱仪或多台碳监测光谱仪；在本实施例中，还可以将所述碳监测光谱仪同时装载到多颗碳监测卫星上，通过卫星组网工作提高对碳源信息、碳汇信息的动态监测能力。
具体地，所述线性渐变滤光片3通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成；本实施例中，线性渐变滤光片3采用离子束刻蚀工艺制备，可在石英玻璃基底上镀制相应结构的膜层而成。
具体地，所述镜头组件5包括镜筒6、复合透镜4以及带通滤光片7；
所述镜筒6安装于所述光谱仪主体1上，所述复合透镜4安装于所述镜筒6内部，带通滤光片7安装于镜筒6远离光谱仪主体1的端部，带通滤光片7用于过滤起始工作波长和结束工作波长之外的光线，在镜筒6的最外端安装带通滤光片7，通过带通滤光片7对起始工作波长和结束工作波长之外的光线进行过滤，保证碳监测光谱仪的监测效果；
具体地，镜筒6上开有内螺纹、镜筒内壁喷砂成磨砂面，并进行光学吸光发黑处理，从而实现削弱杂散光。
被探测物体的光线透过线性渐变滤光片3后在面阵探测器2上成像，以获得连续的高光谱分辨率数据，经过线性渐变滤光片3分光后所有波段的空间幅宽均与面阵探测器在垂直于线性渐变滤光片渐变方向上的最大幅宽相同，在碳监测光谱仪的使用过程中，通过线性渐变滤光片3可获得连续的高光谱分辨率数据，同时经过线性渐变滤光片3分光后所有波段的空间幅宽均与面阵探测器在垂直于线性渐变滤光片3渐变方向上的最大幅宽相同，保证探测效率。
具体地，线性渐变滤光片的起始工作波长、结束工作波长是基于选择的被探测气体透射比曲线确定吸收峰光谱位置；根据面阵探测器感光特性曲线和被探测气体的吸收峰光谱位置确定起始工作波长和结束工作波长，使线性渐变滤光片的光谱范围位于面阵探测器感光特性以及被探测气体吸收峰满足预设要求的位置；
所述线性渐变滤光片的光谱分辨率是根据面阵探测器的尺寸、分辨率、采样时间以及频次确定。
具体地，碳监测卫星9上的碳监测光谱仪在地面时以及碳监测卫星9上的碳监测光谱仪发射至太空在轨时，均需要进行辐射定标、光谱定标以及几何定标；
所述的辐射定标是碳监测光谱仪对已知亮度的均匀辐射源进行成像，确定面阵探测器对不同辐射强度的响应，抵消线性渐变滤光片与探测器表面干涉产生的明暗条纹。在本实施例中，采用积分球作为均匀辐射源。
所述的光谱定标是碳监测光谱仪对具有特定光谱特征的辐射源进行成像，确定不同波长入射光线在面阵探测器上的响应位置。在本实施例中，采用单色仪产生一系列狭窄波段的单色光。
所述的几何定标是碳监测光谱仪对具有明显几何形状特征的固定远场目标成像，确定面阵探测器像元之间的几何关系。在本实施例中，采用透过平行光管的靶标作为远场固定目标。
同时将碳监测卫星9上的碳监测光谱仪在轨获得的数据与地面的气体传感器测量数据以及其他碳监测卫星的探测数据进行比对，定期修正辐射定标误差、光谱定标误差以及几何定标误差。
具体地，在飞临指定区域之前碳监测卫星提前通过姿态机动从常规飞行姿态转为成像姿态，在对指定区域成像过程中碳监测卫星采用三维姿态引导，在成像结束后碳监测卫星通过姿态机动返回常规飞行姿态。
具体地，所述三维姿态引导包括：滚动侧摆方法、偏航导引方法和俯仰相移补偿方法；
所述滚动侧摆方法是在卫星滚动方向偏置固定角度，碳监测卫星飞过指定区域上方时，使碳监测光谱仪视轴能够扫过指定区域，从而扩大碳监测卫星的对地覆盖范围；当指定区域恰好位于星下点轨迹上时，所述滚动方向偏置固定角度为0；
所述偏航导引方法是在卫星通过偏航方向进行姿态导引的方式消除地球自转对图像的影响，使卫星滚动轴位于卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成的平面内，保证对地扫描方向与碳监测光谱仪中线性渐变滤光片的渐变方向保持一致，从而提高光谱成像数据的几何一致性；
所述俯仰相移补偿方法是在卫星飞临目标区域时，卫星俯仰轴绕着卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成平面的法线方向摆动，增加对指定区域的成像驻留时间，从而提高信噪比。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的利用卫星视线矢量对空中目标位置的快速估计方法作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，如图3至6所示，设置高分辨率碳监测卫星，装载1台基于线性渐变滤光片的碳监测光谱仪。卫星轨道高度约为500km，要针对地表甲烷和二氧化碳浓度分布进行高分辨率定量探测，分析碳排放源的源强、排放量、扩散羽流等信息，从而监测自然环境和人类活动向大气中释放碳的过程、活动或机制。
其中，碳监测卫星在轨建立成像姿态，碳监测光谱通过推扫指定区域获取二维空间信息和高光谱辐射亮度信息，地面应用系统基于获取的指定区域的二维空间信息和高光谱辐射亮度信息生成高光谱数据立方体；基于高光谱数据立方体开展定量反演，获取指定区域的碳源信息和碳汇信息。
在飞临指定区域之前碳监测卫星提前通过姿态机动从常规飞行姿态转为成像姿态，在对指定区域成像过程中碳监测卫星采用三维姿态引导，在成像结束后碳监测卫星通过姿态机动返回常规飞行姿态。
所述三维姿态引导包括：滚动侧摆方法、偏航导引方法和俯仰相移补偿方法；
所述滚动侧摆方法是在卫星滚动方向偏置固定角度，碳监测卫星飞过指定区域上方时，使碳监测光谱仪视轴能够扫过指定区域，从而扩大碳监测卫星的对地覆盖范围；当指定区域恰好位于星下点轨迹上时，所述滚动方向偏置固定角度为0；
所述偏航导引方法是在卫星通过偏航方向进行姿态导引的方式消除地球自转对图像的影响，使卫星滚动轴位于卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成的平面内，保证对地扫描方向与碳监测光谱仪中线性渐变滤光片的渐变方向保持一致，从而提高光谱成像数据的几何一致性；
所述俯仰相移补偿方法是在卫星飞临目标区域时，卫星俯仰轴绕着卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成平面的法线方向摆动，增加对指定区域的成像驻留时间，从而提高信噪比。
线性渐变滤光片作为分光元件，是碳监测光谱仪的核心部件，安装在面阵探测器的前端、复合透镜后端，通过光学耦合胶粘贴在面阵探测器上。
线性渐变滤光片，采用离子束刻蚀工艺制备，在透明基底上镀制薄膜而成。
线性渐变滤光片起始工作波长、结束工作波长和光谱分辨率根据所探测的碳监测信息要素进行设计。设计时考虑的因素包括：面阵探测器的尺寸和分辨率、面阵探测器感光特性曲线、被探测气体吸收线的光谱位置和吸收峰强度、采样时间和频次等。
碳监测光谱仪采用短波红外探测器，波长范围在900-1700nm，分辨率640×512，采样时间98ms，频次为10Hz。选择CO2吸收线的R分支和CH4吸收线的P分支为探测对象，线性渐变滤光片起始工作波长设置为1634nm，结束工作波长设置为1670nm，光谱分辨率设置为0.2nm。设计的线性渐变滤光片透射率曲线见图5。
碳监测光谱仪的复合透镜前端安装一片带通滤光片，用于过滤起始工作波长和结束工作波长之外的光线。带通滤光片透射率曲线见图6。
碳监测光谱仪需要在地面进行辐射定标，光谱定标和几何定标。
碳监测光谱仪对已知亮度的均匀辐射源进行成像，确定面阵探测器对不同辐射强度的响应，抵消线性渐变滤光片与探测器表面干涉产生的明暗条纹。本实施例中，采用积分球作为均匀辐射源。
以一系列狭窄波段的单色光作为碳监测光谱仪入射光，确定不同波长入射光线在面阵探测器上的响应位置。本实施例中，采用单色仪产生一系列狭窄波段的单色光。
碳监测光谱仪对具有明显几何形状特征的固定远场目标成像，确定面阵探测器像元之间的几何关系。本实施例中，采用透过平行光管的靶标作为远场固定目标。
碳监测光谱仪发射入轨后需要与地面的气体传感器测量数据、其他同类型高光谱遥感卫星的探测数据进行交叉比对，定期修正辐射定标误差、光谱定标误差和几何定标误差。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，包括：碳监测卫星运行于低地球轨道，利用碳监测卫星上装载的1台或多台碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测，定量监测碳源信息和碳汇信息；所述高分辨率包括高光谱分辨率和在高光谱分辨率的条件下的高空间分辨率；
所述碳监测光谱仪包括线性渐变滤光片、镜头组件、面阵探测器以及光谱仪主体；
所述面阵探测器安装在所述碳监测光谱仪主体上；
所述线性渐变滤光片通过光学耦合胶粘贴在所述面阵探测器前端；
所述镜头组件安装于所述光谱仪主体上；
所述线性渐变滤光片位于面阵探测器以及镜头组件之间；
所述线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，中心波长沿着其厚度变化方向呈线性变化，实现高光谱分辨率；再通过所述面阵探测器实现高光谱分辨率条件下的高空间分辨率，便于碳监测光谱仪对指定区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测。
2.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，所述高光谱分辨率是光谱分辨率优于1纳米；所述高空间分辨率是在光谱分辨率优于1纳米的基础上，空间分辨率优于100米。
3.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，所述碳监测卫星在轨建立成像姿态，碳监测光谱仪通过推扫指定区域获取二维空间信息和高光谱辐射亮度信息，地面应用系统基于获取的指定区域的二维空间信息和高光谱辐射亮度信息生成高光谱数据立方体；基于高光谱数据立方体开展定量反演，获取指定区域的碳源信息和碳汇信息。
4.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，所述线性渐变滤光片通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成。
5.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，所述镜头组件包括镜筒、复合透镜以及带通滤波片；
所述复合透镜安装在所述镜筒的内部；
所述镜筒内壁设有内螺纹、镜筒内壁喷砂成磨砂面，并进行光学吸光发黑处理，从而实现削弱杂散光；
所述带通滤波片安装于复合透镜前端，用于过滤起始工作波长与结束工作波长之外的光线。
6.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，线性渐变滤光片的起始工作波长、结束工作波长是基于选择的被探测气体透射比曲线确定吸收峰光谱位置；根据面阵探测器感光特性曲线和被探测气体的吸收峰光谱位置确定起始工作波长和结束工作波长，使线性渐变滤光片的光谱范围位于面阵探测器感光特性以及被探测气体吸收峰满足预设要求的位置；
线性渐变滤光片的光谱分辨率是根据面阵探测器的尺寸、分辨率、采样时间以及频次确定。
7.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，碳监测卫星上的碳监测光谱仪在地面时，以及碳监测卫星上的碳监测光谱仪发射至太空在轨时，均需要进行辐射定标、光谱定标以及几何定标；
所述辐射定标是碳监测光谱仪对已知亮度的均匀辐射源进行成像，确定面阵探测器对不同辐射强度的响应，抵消线性渐变滤光片与探测器表面干涉产生的明暗条纹；
所述光谱定标是碳监测光谱仪对具有特定光谱特征的辐射源进行成像，确定不同波长入射光线在面阵探测器上的响应位置；
所述几何定标是碳监测光谱仪对具有几何形状特征的固定远场目标成像，确定面阵探测器像元之间的几何关系。
8.根据权利要求7所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，将碳监测卫星上的碳监测光谱仪在轨获得的碳监测数据与地面的气体传感器测量数据以及其他碳监测卫星的探测数据进行比对，定期修正辐射定标误差、光谱定标误差以及几何定标误差。
9.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，在飞临指定区域之前碳监测卫星提前通过姿态机动从常规飞行姿态转为成像姿态，在对指定区域成像过程中碳监测卫星采用三维姿态引导，在成像结束后碳监测卫星通过姿态机动返回常规飞行姿态。
10.根据权利要求9所述的基于线性渐变滤光片的高分辨率碳监测卫星，其特征在于，所述三维姿态引导包括：滚动侧摆方法、偏航导引方法和俯仰相移补偿方法；
所述滚动侧摆方法是在卫星滚动方向偏置固定角度，碳监测卫星飞过指定区域上方时，使碳监测光谱仪视轴能够扫过指定区域，从而扩大碳监测卫星的对地覆盖范围；当指定区域恰好位于星下点轨迹上时，所述滚动方向偏置固定角度为0；
所述偏航导引方法是在卫星通过偏航方向进行姿态导引的方式消除地球自转对图像的影响，使卫星滚动轴位于卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成的平面内，保证对地扫描方向与碳监测光谱仪中线性渐变滤光片的渐变方向保持一致，从而提高光谱成像数据的几何一致性；
所述俯仰相移补偿方法是在卫星飞临目标区域时，卫星俯仰轴绕着卫星瞬时地速矢量与卫星指目标矢量所构成平面的法线方向摆动，增加对指定区域的成像驻留时间，从而提高信噪比。
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