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基于GHGSat-D的甲烷光谱干涉仪仿真模型建立
背景
甲烷（CH₄）是全球第二大温室气体，大气寿命仅约10年，针对性减排可快速减缓短期气候变暖，且60%~90%的人为甲烷点源排放集中于少数大型排放源，高精度的点源识别与观测是甲烷减排的重要支撑，本文以2016年发射的全球首颗甲烷点源探测微纳卫星GHGSat-D为参考，基于其核心的广角固定腔Fabry-Pérot成像光谱仪载荷，搭建了覆盖太阳辐射、大气传输与探测器输出完整信号链路的数值仿真模型。
F-P干涉仪原理
F-P标准具由两块间距d、内表面反射率R的光学平板构成。入射角θ、波长λ的光线透射率由Airy函数描述：
其中n为腔间介质折射率，F为与反射率相关的精细度系数。GHGSat-D采用固定腔长设计，依靠入射角变化完成光谱调谐。对于第m级干涉，透射峰对应的波长满足干涉极大条件：
仿真模型全链路
本文搭建的数值仿真模型覆盖卫星观测的完整信号流程，复现从太阳辐射入射到探测器输出的全链路传递过程，整体由大气辐射传输、干涉仪光学系统、探测器响应三大模块串联构成，架构如图1所示。
图 1.仿真模型全链路架构图
大气辐射传输模块
本模块主要计算经大气吸收衰减后，抵达卫星入瞳的大气层顶光谱辐亮度。模型假设地表为朗伯反射体，结合太阳天顶角(θsza)、日地距离(RE-S)与地表光谱反射率(a)计算地表反射的辐射基准。针对短波红外甲烷观测的典型场景，模型忽略大气散射与地表热发射的影响以简化计算，计算公式如下：
大气吸收系数通过HITRAN光谱数据库获取，采用分层大气模型进行逐层积分，大气温湿压廓线采用标准大气模型，最终得到目标波段的大气层顶光谱辐亮度。
光学系统与信号生成
本模块模拟光线通过光学系统的传播与调制过程，完成大气层顶辐亮度到探测器像面的映射。整套光学系统由望远透镜组与成像透镜构成，如图2所示。对应到探测器平面上，像元坐标(i,j)与入射角的极角、方位角满足映射关系：
其中 (i₀,j₀)为光轴中心像元，ψ为入射角的极角，φ为方位角。单帧二维图像上，信号随离轴半径呈现规律性变化：图像中心对应F-P最长透射波长，随半径增大透射峰向短波方向连续移动；图像边缘处，最短波长透射峰移出带通范围，会出现相邻干涉级次的光谱重叠。
图 2.GHGSat-D光学系统的示意图
(图片来源：The GHGSat-D imaging spectrometer.)
（i）OSF、（ii）法布里-珀罗干涉仪和（iii）探测器。
仿真输出干涉图特征
该模块可直接输出探测器平面的二维干涉图样，即单帧观测的原始信号形态。
从几何形态看，干涉图以光轴中心为圆心呈同心环状分布：同一半径圆周上的光线入射角一致，对应相同的透射峰值波长。从光强分布看，干涉环纹由 F-P干涉效应形成，具有窄透射峰、高反衬度的特征；同时受大气甲烷吸收调制，强吸收线对应位置的环纹亮度会出现明显衰减，环纹的亮度起伏本质是大气吸收光谱在空间维度的投影。
总结
综上，本文以GHGSat-D卫星载荷为蓝本，构建了一套完整的甲烷F-P成像光谱仪全链路仿真框架，该仿真框架可为后续 F-P 型光谱载荷的指标优化、干涉图解调算法开发提供可靠的数值支撑。
参考文献
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