【微课堂】红外临边探测发展现状
在大气遥感监测领域，常采用天底探测方式，如包括紫外可见光波段的传感器有GOME、SCIAMACHY、GOME2、OMI、OMPS，热红外波段的传感器有AIRS、IASI、CrIS。天底探测方式提供了包括温度廓线、温室气体垂直廓线、NO2和SO2污染气体垂直柱总量等丰富的观测信息，在大气防治政策制定、排放源监测、排放清单建立方面发挥了重要作用。
但是，天底探测方式无法获得中高层大气高垂直分辨率的弱痕量气体廓线，临边观测方式在这方面弥补了天底探测方式的不足，为中高层区域的大气成分与动力学探测提供了高时间分辨率、高垂直分辨率、几乎全球覆盖的数据资料，提高了我们对平流层和对流层上部O3及其相关的痕量气体的探测水平，有助于我们对O3变化理化机制及其趋势的了解。
另外，红外波段包含大气分子丰富的吸收谱线，相比于可见光与紫外波段，大气的散射作用可忽略，一直以来是大气成分探测的主要波段。
本期【微课堂】基于已有的红外临边探测器，介绍红外临边探测工作原理、仪器特征、红外临边传感器在大气遥感探测中的应用等内容。
1红外临边探测工作原理
临边观测几何如图1所示。仪器扫描地球切点以上的大气，在水平与垂直两个方向上进行扫描，并记录大气发射的红外光谱。扫描在水平面内沿着垂直飞行方向进行，在一个水平扫描结束后调整切高，进行下一个水平扫描，如此反复直到最大切高处。仪器以切线形式对大气进行分层探测，对痕量气体而言，可反演上限受制于气体的信噪比（高度越高，信噪比越低），下限受制于云与气溶胶，当视场角出现云与气溶胶影响时，痕量气体廓线不反演。临边扫描的垂直分辨率受仪器的垂直视场角及大气折射和非局部热力学平衡（Non-LTE）效应的影响，水平分辨率受切点位置和空间覆盖特征的影响。在红外波段内，大气中的很多分子有特征吸收线，可以反演痕量气体的垂直廓线，如O3、H2O、NO、NO2、ClO、CFC-11、CFC-12和HNO3等。
图1 临边探测几何示意图
2红外临边探测器的发展
星载红外临边探测器从1975年发展至今已有40余年的历史，为对流层上部和平流层的大气成分探测及其动力学研究提供了丰富的资料。其传感器信息表1所示：
表1 红外临边传感器信息
红外临边探测技术的发展与传感器性能的提高息息相关。在仪器探测性方面，压力调制技术与微窗选择方法有效提高了仪器的信噪比和波段的抗干扰能力，提高了仪器对弱信号的可探测性，仪器的探测目标种类也随仪器通道数目的增加和光谱分辨率的提高而增加。在冷冻技术方面，早期的红外临边探测器在轨寿命受冷冻剂制约，后期HIRDLS采用的循环冷却系统延长了其在轨工作时间。
3红外临边探测的应用
红外临边探测器以平流层为主要探测区域，探测O3及其相关的痕量气体、云与气溶胶等。首次提供了大量痕量气体的全球分布，证明了重力波的存在并提供了全球范围的重力波结构及其特征，证明了Non-LTE的存在，并将该效应参数化用于改进红外临边探测的正向模型。这些开创性的工作，提高了我们对中高层大气化学与动力学的认识。其中红外临边传感器可探测的气体种类如表2所示：
表2 红外临边传感器探测目标
4结论与展望
红外临边探测技术自1975年以来，经过40余年的发展，从最初的雨云6号卫星上搭载的LRIR传感器（4个通道），仅能探测温度、H2O、O3三参数到AURA卫星上的HIRDLS，TES高分辨率红外临边探测器，可探测O3、氮族、氯族元素、气溶胶、PSCs等多目标。LRIR、LIMS、SAMS，ISAMS、CLAES、MIPAS、HIRDLS、TES在仪器的探测能力、冷冻技术、正向模型、反演算法方面都有显著的改进，使仪器可探测目标种类不断增加，反演精度不断提高，在轨寿命有所增加，应用范围广泛，尤其在O3及其相关痕量气体探测方面贡献突出。
我国在掩星和临边探测传感器卫星载荷研制与算法开发方面处于起步阶段，拟搭载在GF5上的大气红外甚高分辨率掩星探测仪（AIUS）采用掩星观测方式，红外临边探测器载荷目前仍处于研发阶段。我国掩星和临边探测技术的发展，对于研究平流层O3、极地O3臭氧损耗以及与O3相关的化学反应机制，平流层云与气溶胶，对流层顶到平流层的大气动力学将发挥不可替代的作用。
以上内容由遥感科学国家重点实验室王雅鹏、李小英、王红梅、朱松岩、苗晶提供。