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【环保科普第80期】洞悉地球“碳足迹”, 摸清全球“碳家底”丨揭秘陆华球体育官网态系统碳监测卫星的3件“神器”

发布时间:2022年08月05日 | 围观人数:4148

洞悉地球“碳足迹”, 摸清全球“碳家底”丨揭秘陆华球体育官网态系统碳监测卫星的3件“神器”

 为迎战全球气候变暖,“碳达峰、碳中和”成为全球热词。实现碳中和过程如同大自然的一场“碳源”与“碳汇”的数字运算,最终期待实现“收支相抵”。空间碳汇监测是实现“双碳”目标的关键工作之一,陆华球体育官网态系统碳监测卫星碳汇的量化🎃监测恰逢其时。今天,这颗卫星成功上天入轨,携带着由航天科技集团五院508所研制的3件“神器”,将在日后的碳汇量化监测和全球“碳家底”摸排中发挥重要作用。

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超光谱探测仪
追捕叶绿素荧光的“奇幻之眼”
  叶绿素荧光的探测直接关系大尺度的植被光合作用动态监测。然而,叶绿🐬素荧光的光谱范围狭窄,只有纳米级宽度,其能量在植被反射能量中非常微弱,只有1/50量🔯级,探寻它的难度相当之大。

  搭载在陆华球体育官网态系统碳监测卫星﷽上的超光谱探测仪就是用于追捕叶ꦯ绿素荧光的“奇幻之眼”,具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性等多项技能。
  
  🍌高光谱分辨率。超光谱探测仪的光谱采样率0.1nm,能够把670~780nm的这一段浑沌在一起的光按次序分成1100份细🐈光,也就是把这段浑沌光的颜色展分成1100个渐变的色彩,有效地寻找躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光。

  高信噪比。叶绿素荧光能量比其背景能量小50倍,“躲”在背景中不易被发现。超光谱探测仪的信噪比很强大,能够把比背景♓能量小20ꦬ0倍的东西一览无余。因此,即便是在微亮的晨曦,或是昏暗的傍晚,这只“眼睛”也能够对叶绿素荧光进行无死角探测。

  高动态范围。超光谱探测仪的动态范围超大,在昏暗的光线和炽热的强光中都能进行精准监测。

  高稳🗹定性。超光谱探测仪具有强大的在轨自动校准功能,携带了高品质的星上定标装置,在轨利用特性永恒的太阳能量不♍断地进行光谱和辐射定标,实现稳定精准探测。

多波束激光雷达
扫射森林的“天外奇妙之尺”
  激光雷达作为一种主动遥感技术,除了能获得距离信息,还能够获得物体本身的一些特性,而这些信息就隐藏在激光的波形信号里。当激光从雷达照射到森林时,光束首先到达树顶,一部分激光被树冠反射回去,另一部分激光则沿着缝隙穿透向下,再被树叶、枝干反射回去,最后一部分激光到达地面,被地面反射。这样,就能得到树冠🔯、中部、地面的回波,并根据冠层和地面🔜回波的时间差计算出树高。

  原理不难理解,但要在500公里的卫星轨道上实现这一目标非常困难。首先,由于卫星轨道太高,大部分的激光能量都被耗散掉了,激光雷达接收到的光是发出的1/1000000000💙0000000(别数了, 16个0)。

  解决这个问题要从几个方面入手。一方面激光发射系统向地面射出的激光能量必须足够强。激光的瞬时功率需要达到200000000W,是太阳光照射到地面功率的40万倍。不过即使这么高的功率,照到地面的激光比太阳光还弱,对人体和生物不会构成伤害。另一方面激光接收系统必须足够灵敏,能够将非常微弱的回波信号从太阳光等强♏噪声里提取出来。同时,💮激光发射和接收系统必须精确地对准地面同一个目标,这样才能保证反射回来的光被接收到。而且,激光雷达的指向不能发生改变。

  五院508所多波束激光雷达研制团ꦛ队⛄攻克了大功率高频激光器、超高灵敏度微弱信号探测、高精度收发光学系统设计装配等关键技术,最终使以上难题迎刃而解。



  陆华球体育官网态系统碳监测卫星上搭载的多波束激光雷达创新性地采用了主被动一体化的方式进行探测,首次将负责♛主动探测的激光雷达和被动探测的遥感相机集成到一台载荷上,用激光雷达的点🍃数据来对遥感图像的面数据进行标定和外推,从而获得大范围森林信息,最终巧妙实现了1+1>2的效果。

  为了提高探测效率,多波束激光雷达的波束数量和重复频率大幅提升。相较我国目前在轨的激光雷达,该星多波束激光雷达为5波束40Hz,每秒可获得200个地面光斑信息,光斑间距低至180米,探测效率提升33倍,大大增强了对森林ꩲ覆盖率测量的准确性。



多角度多光谱相机
三维立体瞰森林的“多目精灵”
  一般情况下,遥感应用通♓常采取垂直对地观测的方式。随着太阳高度角及观测角度的变化,所观测🌠的同一地表物体常常因其反射、辐射信息的差异而获取不同的反馈信息,降低了对目标物的识别精度和对其参数反演的准确度。

  多角度多光谱相机是我国首个五角度可见光探测相机。对植被的观测中,可以分别从垂直0度、正负19度、正负41度5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据,获得更为详细可靠的地表三维空间结构信息。打个比方,原来一台相机从人的头顶经过并进行垂直观测,只能看到人的头顶,现在拍摄角度多了,不仅仅能看到头顶,还能看到面部、🎀后脑勺、前胸后背等多方面、多维度的信息。该卫星增加了基础参考信息量,不仅仅能看清楚森林冠顶,还能看清侧面,这样就知道森林的疏密分布、健康、长势,甚至病虫害情况。

  同时,这五个角度在观测🙈光谱的选择上也是“暗藏玄机”。由于森林叶绿素含量、冠层结构不同,植被叶片在红边波段的反射率会发生突变,达到一个明显陡峭的斜坡。一般来说,品质好的植被的反射率大幅度上升,其斜坡斜率越大,说明植被越健康。利用这个特点,研制团队将其中2台大角度观测相机全色谱段改换为红边谱段,其余小角度观测相机仍采用传统可见光波段设置,这样能更加全面准确地用于观测植物氮素含量、叶绿素含量、病虫害、生物量估算等。


来源:五院508所


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