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【環??破盏?0期】洞悉地球“碳足跡”, 摸清全球“碳家底”丨揭秘陸地生態系統碳監測衛星的3件“神器”

發布時間:2022年08月05日 | 圍觀人數:4337

洞悉地球“碳足跡”, 摸清全球“碳家底”丨揭秘陸地生態系統碳監測衛星的3件“神器”

 為迎戰全球氣候變暖,“碳達峰、碳中和”成為全球熱詞。實現碳中和過程如同大自然的一場“碳源”與“碳匯”的數字運算,最終期待實現“收支相抵”??臻g碳匯監測是實現“雙碳”目標的關鍵工作之一,陸地生態系統碳監測衛星碳匯的量化監測恰逢其時。今天,這顆衛星成功上天入軌,攜帶著由航天科技集團五院508所研制的3件“神器”,將在日后的碳匯量化監測和全球“碳家底”摸排中發揮重要作用。

微信圖片_20220811152613.jpg

超光譜探測儀
追捕葉綠素熒光的“奇幻之眼”
  葉綠素熒光的探測直接關系大尺度的植被光合作用動態監測。然而,葉綠素熒光的光譜范圍狹窄,只有納米級寬度,其能量在植被反射能量中非常微弱,只有1/50量級,探尋它的難度相當之大。

  搭載在陸地生態系統碳監測衛星上的超光譜探測儀就是用于追捕葉綠素熒光的“奇幻之眼”,具備高光譜分辨率、高信噪比、高穩定性等多項技能。
  
  高光譜分辨率。超光譜探測儀的光譜采樣率0.1nm,能夠把670~780nm的這一段渾沌在一起的光按次序分成1100份細光,也就是把這段渾沌光的顏色展分成1100個漸變的色彩,有效地尋找躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素熒光。

  高信噪比。葉綠素熒光能量比其背景能量小50倍,“躲”在背景中不易被發現。超光譜探測儀的信噪比很強大,能夠把比背景能量小200倍的東西一覽無余。因此,即便是在微亮的晨曦,或是昏暗的傍晚,這只“眼睛”也能夠對葉綠素熒光進行無死角探測。

  高動態范圍。超光譜探測儀的動態范圍超大,在昏暗的光線和熾熱的強光中都能進行精準監測。

  高穩定性。超光譜探測儀具有強大的在軌自動校準功能,攜帶了高品質的星上定標裝置,在軌利用特性永恒的太陽能量不斷地進行光譜和輻射定標,實現穩定精準探測。

多波束激光雷達
掃射森林的“天外奇妙之尺”
  激光雷達作為一種主動遙感技術,除了能獲得距離信息,還能夠獲得物體本身的一些特性,而這些信息就隱藏在激光的波形信號里。當激光從雷達照射到森林時,光束首先到達樹頂,一部分激光被樹冠反射回去,另一部分激光則沿著縫隙穿透向下,再被樹葉、枝干反射回去,最后一部分激光到達地面,被地面反射。這樣,就能得到樹冠、中部、地面的回波,并根據冠層和地面回波的時間差計算出樹高。

  原理不難理解,但要在500公里的衛星軌道上實現這一目標非常困難。首先,由于衛星軌道太高,大部分的激光能量都被耗散掉了,激光雷達接收到的光是發出的1/10000000000000000(別數了, 16個0)。

  解決這個問題要從幾個方面入手。一方面激光發射系統向地面射出的激光能量必須足夠強。激光的瞬時功率需要達到200000000W,是太陽光照射到地面功率的40萬倍。不過即使這么高的功率,照到地面的激光比太陽光還弱,對人體和生物不會構成傷害。另一方面激光接收系統必須足夠靈敏,能夠將非常微弱的回波信號從太陽光等強噪聲里提取出來。同時,激光發射和接收系統必須精確地對準地面同一個目標,這樣才能保證反射回來的光被接收到。而且,激光雷達的指向不能發生改變。

  五院508所多波束激光雷達研制團隊攻克了大功率高頻激光器、超高靈敏度微弱信號探測、高精度收發光學系統設計裝配等關鍵技術,最終使以上難題迎刃而解。



  陸地生態系統碳監測衛星上搭載的多波束激光雷達創新性地采用了主被動一體化的方式進行探測,首次將負責主動探測的激光雷達和被動探測的遙感相機集成到一臺載荷上,用激光雷達的點數據來對遙感圖像的面數據進行標定和外推,從而獲得大范圍森林信息,最終巧妙實現了1+1>2的效果。

  為了提高探測效率,多波束激光雷達的波束數量和重復頻率大幅提升。相較我國目前在軌的激光雷達,該星多波束激光雷達為5波束40Hz,每秒可獲得200個地面光斑信息,光斑間距低至180米,探測效率提升33倍,大大增強了對森林覆蓋率測量的準確性。



多角度多光譜相機
三維立體瞰森林的“多目精靈”
  一般情況下,遙感應用通常采取垂直對地觀測的方式。隨著太陽高度角及觀測角度的變化,所觀測的同一地表物體常常因其反射、輻射信息的差異而獲取不同的反饋信息,降低了對目標物的識別精度和對其參數反演的準確度。

  多角度多光譜相機是我國首個五角度可見光探測相機。對植被的觀測中,可以分別從垂直0度、正負19度、正負41度5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數據,獲得更為詳細可靠的地表三維空間結構信息。打個比方,原來一臺相機從人的頭頂經過并進行垂直觀測,只能看到人的頭頂,現在拍攝角度多了,不僅僅能看到頭頂,還能看到面部、后腦勺、前胸后背等多方面、多維度的信息。該衛星增加了基礎參考信息量,不僅僅能看清楚森林冠頂,還能看清側面,這樣就知道森林的疏密分布、健康、長勢,甚至病蟲害情況。

  同時,這五個角度在觀測光譜的選擇上也是“暗藏玄機”。由于森林葉綠素含量、冠層結構不同,植被葉片在紅邊波段的反射率會發生突變,達到一個明顯陡峭的斜坡。一般來說,品質好的植被的反射率大幅度上升,其斜坡斜率越大,說明植被越健康。利用這個特點,研制團隊將其中2臺大角度觀測相機全色譜段改換為紅邊譜段,其余小角度觀測相機仍采用傳統可見光波段設置,這樣能更加全面準確地用于觀測植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲害、生物量估算等。


來源:五院508所


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