Автореферат (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли)

На правах рукописиУДК 681.785.574КОЗЛОВ Дмитрий АлександровичИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ БОРТОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в государственном научном центре – федеральномгосударственном унитарном предприятии «Исследовательский центр имениМ.В.

Келдыша» (ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»).Научный руководитель:доктор технических наук,старший научный сотрудникЗавелевич Феликс Самуиловичначальник лаборатории оптическойдиагностики ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»Официальные оппоненты:доктор технических наук,старший научный сотрудникГорбунов Георгий Георгиевичглавный научный сотрудник филиалаОАО «Корпорация «Комета» «НПЦ ОЭКН»кандидат технических наук,старший научный сотрудникПластинин Юрий Александровичначальник отдела ФГУП ЦНИИмашВедущая организация:ФГБУН Институт космическихисследований РАН117997, г. Москва, ул. Профсоюзная 84/32Защита состоится 15 февраля 2017 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.19 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им.

Н.Э. Баумана) по адресу: 105005,г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5,стр. 1 ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.19.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМГТУ им. Н.Э. Баумана и на интернет-сайте www.bmstu.ru.Автореферат разослан «___» ______________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,к. ф-м.

н.Д.А. Семеренко1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыСовременные требования к качеству и достоверности краткосрочного идолгосрочного прогнозирования погоды и климата могут быть выполненытолько с использованием технологий численного прогноза погоды на основеданных глобальных измерений. Глобальный мониторинг атмосферы и земнойповерхности также необходим для эффективного контроля опасных погодныхявлений и предупреждения об их появлении; мониторинга Мирового океана;комплексного контроля озонового слоя; контроля динамики малых газов, влияющих на «парниковый» эффект; контроля чрезвычайных ситуаций.Указанные задачи решаются с использованием результатов измеренийсканирующих по пространству радиометров и спектрометров космического базирования, работающих в различных диапазонах спектра.

В частности, для задач восстановления метеопараметров атмосферы наиболее эффективным подходом является совместное использование данных инфракрасной аппаратурывысокого спектрального разрешения (фурье-спектрометров или дифракционных спектрометров) и данных микроволновых зондировщиков, способных получать информацию при наличии облаков.В настоящее время на солнечно-синхронных околополярных орбитахуспешно функционируют фурье-спектрометры IASI (европейские спутникиMetOp-A/B), CrIS (американский спутник NPP Suomi) и российский фурьеспектрометр ИКФС-2 (КА «Метеор-М» № 2).

Получаемая данной аппаратуройинформация используется системами ассимиляции глобальных данных дляинициализации численного метеопрогноза.Актуальность темы диссертации обусловлена созданием в России бортовой инфракрасной аппаратуры (фурье-спектрометров) серии ИКФС, предназначенной для измерения спектров уходящего теплового излучения системы «атмосфера – поверхность Земли» и получения на их основе данных о параметрахи составе атмосферы: вертикальных профилей температуры и влажности (с погрешностью (1-2) К и (10-15)% соответственно), общего содержания озона ималых газовых составляющих (с погрешностями не более 5%), температурыподстилающей поверхности (с погрешностью не более 0,5 К) и др.

При этомуспешное решение обратной задачи переноса излучения в атмосфере возможнолишь при выполнении высоких требований к точности спектральных измерений, что требует проведения калибровки прибора, являющейся одним из ключевых этапов создания измерительной аппаратуры.Следует отметить, что существующие методики радиометрической испектральной калибровки фурье-спектрометров, разработанные для зарубеж1ных приборов-аналогов, в значительной степени ориентированы на аппаратнуюреализацию, поэтому применимы лишь к конкретной аппаратуре, не носят универсального характера и, в частности, не могут быть применены для калибровки аппаратуры серии ИКФС.Цель работы и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является обеспечение требуемых точностных характеристик бортового инфракрасного фурье-спектрометра температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) Земли из космоса.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1.

Определение требований к точностным характеристикам бортовой инфракрасной аппаратуры ТВЗА.2. Анализ основных источников случайной и систематической погрешностей измерений бортовых фурье-спектрометров.3. Разработка методики радиометрической калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров.4. Разработка методики привязки измеряемых фурье-спектрометромспектров атмосферы к шкале волновых чисел.5. Разработка методики определения аппаратной функции фурьеспектрометра во всем рабочем спектральном диапазоне.6.

Реализацияалгоритмовпреобразованияизмеряемыхфурьеспектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферы в программном комплексе первичной обработки.7. Проведение наземной калибровки бортового инфракрасного фурьеспектрометра ИКФС-2 и определение точностных характеристик прибора наэтапе лётных испытаний в составе КА «Метеор-М» № 2.Научная новизна работы заключается в том, что впервые:1. Разработана методика наземной радиометрической калибровки бортового инфракрасного фурье-спектрометра ТВЗА в условиях, максимально приближенных к орбитальным, позволяющая определить спектральную плотностьэнергетической яркости (СПЭЯ) бортового черного тела и выполнить коррекцию нелинейности фотоприемника с учетом частотных характеристик электронного тракта и контраста интерференции, обеспечиваемого прибором.2.

Разработана методика спектральной привязки измерений фурьеспектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел непосредственно по измеряемымспектрам атмосферы с обоснованием выбора спектрального поддиапазона, оценочной функции, чувствительной к спектральному сдвигу, и способа вычисления опорного спектра на основе метода главных компонент.3. Разработана методика определения аппаратной функции фурьеспектрометра, позволяющая на основе измерений интерферограмм (ИФГ)2входного квазимонохроматического излучения лазерных источников определить форму спектрального отклика прибора во всем рабочем спектральномдиапазоне с учетом угловой чувствительности прибора и остаточной разъюстировки интерферометра.Практическая ценность работы:1. На основе результатов исследования и разработанных методик проведена наземная калибровка и обеспечены требуемые точностные характеристикипервого отечественного бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2оперативного прогноза погоды и исследования климата в составе космическогоаппарата (КА) «Метеор-М» № 2.2.

Разработанные алгоритмы преобразования регистрируемых фурьеспектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферы реализованы в программном комплексе первичной обработки данных аппаратуры ИКФС-2 (ПК IKFSPrepSuite).3. Результаты проведенного исследования являются основой для калибровки модернизируемой аппаратуры серии ИКФС-2 (для КА «Метеор-М»№№ 2-1, 2-2, 2-3, 2-4), а также для создания вновь разрабатываемых фурьеспектрометров ИКФС-3 (КА «Метеор-МП») и ИКФС-ГС (КА «Электро-М»).Апробация результатов и публикацииОсновные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 14 международных и российских научно-технических конференциях:- «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»,ИКИ РАН, г.