中科院七大载荷助力风云三号D星观测“风云”

11月15日凌晨，我国在太原卫星发射中心成功发射风云三号气象卫星，卫星顺利进入预定轨道。风云三号是中国第二代极轨道气象卫星风云三号的第四颗卫星，设计寿命为5年。它可以实现全球、全天候、多光谱、三维和定量遥感。这颗卫星搭载了10套遥感仪器，其中7套是由中国科学院开发的。

在10套先进的遥感仪器中，除了微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间环境监测器和全球导航卫星(GNOS)掩星探测器等5套继承仪器之外，红外高光谱大气探测器、近红外高光谱温室气体监测器、广角极光成像仪和电离层光度计是新开发的，并首次搭载在船上。此外，核心仪器中的分辨率光谱成像仪已大幅升级，其性能也有了显著提高。

中国科学院上海技术物理研究所升级和改进了中分辨率光谱成像仪二号，并开发了一种新的红外高光谱大气探测器。中分辨率光谱成像仪二号是该卫星搭载的核心光学仪器，可与美国新发射的联合极地轨道气象卫星的成像仪器相媲美，有望成为世界上最先进的宽成像遥感仪器之一。有效载荷由风云三号的前三颗卫星配置的两个成像仪器升级而来，即扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪。增加了六个红外通道和地面分辨率高达250米的红外分离窗口通道。仪器的校准精度和检测灵敏度指标全面提高。该研究团队在高灵敏度检测、全光谱卫星实时校准以提高量化性能以及多路径低温光学校准等技术方面进行了新的创新和进步。有效载荷可以通过250米可见光近红外通道每天无缝获取世界的实时彩色遥感图像，它还可以成为世界上第一台获取250米分辨率长波红外分裂窗数据的成像仪器。它可以实现云、气溶胶、水汽、地表特征、海水颜色等大气、陆地和海洋参数的高精度定量反演，为中国生态管理与恢复、环境监测与保护提供科学支持，为全球生态环境、灾害监测和气候评估提供中国的观测方案。红外高光谱大气探测器的“新”主要体现在:采用目前世界上最先进的动镜傅里叶干涉探测技术，实现地球大气系统的高光谱分辨率红外观测。通过60毫米有效大孔径和每秒4辐快速光谱探测，3.92微米至15.38微米红外光谱波段范围内的1370个通道均可实现0.625波数的探测能力，大气可分层精细观测。在现有基础上，可以使我国大气温度和大气湿度廓线的反演精度提高一倍以上，符合国际先进水平。该研究团队实现了高精度甚长波红外多元素探测，并在国内首次实现了锑化铟光伏探测器在中波波段的高性能空间应用。此外，实现了仪器开发和用户预处理的协同研究，有效提高了仪器的量化水平。

中国科学院国家空间科学中心承担了四种主要有效载荷的研究和开发工作:微波湿度计、地球同步轨道掩星探测器、空间环境监测器和电离层光度计。微波湿度计是风云三号气象卫星的重要负载。它探测全球大气温湿度分布、台风、暴雨等灾害性天气现象，在中长期数值天气预报和全球气候变化研究中发挥重要作用。风云三号C、D卫星微波湿度计是A、B卫星的升级产品。世界上首次采用118千兆赫的俯视法进行地球观测，实现了温度和湿度的同步观测。探测数据被嵌入欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的预报模型，并与欧洲和美国的卫星一起在全球气象服务中发挥主导作用。空间环境监测器用于监测卫星轨道空间中的质子、重离子和高能电子，测量粒子引起的辐射剂量效应和表面电位效应，对空间环境及其影响进行综合探测，并通过提供空间气象监测信息为航天器安全服务。D卫星空间环境监测器采用了新的传感器并改进了设计，进一步减少了噪声干扰并提高了测量精度。基于FY-3 C卫星四年多的在轨运行，GNOS掩星探测器显著提高了其探测能力。精密定轨精度和掩星观测数据的质量和数量均达到国际先进水平。它将为我国数值天气预报业务系统提供高效、高质量的掩星数据产品，并将有效改善全球掩星观测数据严重短缺的现状。电离层光度计是中国第一个用于卫星全天候电离层探测的定量光学遥感载荷。它可以实现电离层电子密度TEC、峰值电子密度和O/N2的在轨实时监测。该负载灵敏度高，在探测小规模电离层扰动方面具有很大优势。电离层光度计的工作波段在远紫外波段，这也是中国首次进行相关波段的在轨探测。探测到的远紫外辐射强度将有效地填充中国现有的大气背景辐射数据库。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所最新研制的广角极光成像仪是世界上第一台从空间获取远紫外波段、高时间分辨率和大空间范围极光图像的遥感仪器。它由大视场、远紫外波段离轴反射多层光学系统、远紫外波段光子计数成像探测器、大运动范围扫描机构和电子系统组成，能够对地球极区产生的140-180纳米辐射进行高灵敏度、大范围成像，获得极光形态随时间和空间的变化过程。广角极光成像仪进入轨道后，将在高磁纬度地区实现每2分钟130 × 130的大规模极光图像，空间分辨率为星点以下10公里。它可以监测极光边界位置、电离层全球图像和沉降电子的分布，实现极光强度和范围、极区沉降粒子变化的实时报告，进一步开展磁暴预报、磁层亚暴预报和极区电离层空间天气预报。

风云三号将与2013年9月成功发射的风云三号进行网络观测，进一步提高大气探测精度，增强温室气体监测、空间环境综合探测和气象遥感探测能力，促进气象卫星综合应用水平的提高，为推进生态文明建设、国家综合防灾减灾和“一带一路”建设提供重要支持。中国科学院开发的七大载荷无疑将在未来发挥重要作用。

风云三号卫星有效载荷(图片来源:中国气象局)