Автореферат (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 2

Москва, 2009-2012 и 2014-2015 гг.;- Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика», физический факультет СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2009 и 2015 гг.;- «Гиперспектральные приборы и технологии» Международной академии«Контенант», ПАО КМЗ, г. Красногорск, 2013 г.;- научно-техническая конференция молодых ученых, посвященная 50-летиюпервого полета человека в космос, ПАО «РКК «Энергия», г. Королев, 2011 г.;- международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли»,АО «Корпорация «ВНИИЭМ», г.

Москва, 2015 и 2016 гг.;- EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, г. Тулуза, Франция, 2015 г.;- XX International TOVS Study Conference, г. Лэйк-Дженива, США, 2015 г.Основные результаты диссертации практически полностью изложены в11 публикациях, в том числе 7 работ опубликовано в ведущих рецензируемыхнаучных изданиях, рекомендованных ВАК при Министерстве образования инауки Российской Федерации общим объемом 3,16 п.л.3Структура и объем диссертационной работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, списка литературы, содержащего 70 наименований, а также списка сокращений и условных обозначений.

Диссертация изложена на 143 страницах,содержит 83 рисунка и 10 таблиц.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1. Разработанная методика наземной радиометрической калибровки бортового инфракрасного фурье-спектрометра ТВЗА позволяет определить нелинейность фотоприемника (ФП) и выполнить коррекцию нелинейности в измеряемых прибором интерферограммах, а также определить СПЭЯ бортовогочерного тела в условиях, максимально приближенных к орбитальным.2. Разработанная методика спектральной привязки измерений фурьеспектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел непосредственно по измеряемымспектрам атмосферы позволяет отрабатывать температурный и временной уходдлины волны лазера референтного канала и обеспечить автономность процедуры спектральной привязки (без использования внешних данных) и её реализацию на этапе первичной обработки.3.

Разработанная методика определения аппаратной функции (АФ) фурьеспектрометра позволяет на основе измерений ИФГ входного квазимонохроматического излучения лазерных источников определить форму спектральногоотклика прибора во всем рабочем спектральном диапазоне с учетом угловойчувствительности прибора и остаточной разъюстировки интерферометра.4.

Результаты исследования точностных характеристик и калибровки первого отечественного бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2.Обеспеченные точностные характеристики прибора (погрешность радиометрической калибровки не более 0,3 К, погрешность спектральной привязки не более 3·10-6, погрешность определения АФ не более 3%) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к аппаратуре данного класса, и подтверждаются сопоставлением с данными независимых спутниковых измерений.Достоверность и обоснованность результатов подтверждается:- результатами наземной калибровки летного образца аппаратуры ИКФС-2,позволившей обеспечить требуемые точностные характеристики аппаратуры;- проведенным сопоставлением измерений аппаратуры ИКФС-2, полученныхна этапе летных испытаний и при штатной эксплуатации прибора на орбите, сданными независимых спутниковых измерений;- приведенными результатами тематической обработки и восстановления вертикальных профилей температуры и влажности, а также общего содержанияозона, свидетельствующих о пригодности использования измерений аппаратуры ИКФС-2 для решения целевых задач метеорологического обеспечения.42.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИПервая глава работы посвящена анализу требований к бортовой инфракрасной аппаратуре температурно-влажностного зондирования атмосферы Земли (ТВЗА) из космоса и постановке задачи радиометрической и спектральнойкалибровки фурье-спектрорадиометра.Получение данных о параметрах и составе атмосферы на основе измерений спектров восходящего теплового излучения системы «поверхностьатмосфера» является классической задачей спутниковой метеорологии. Задачавосстановления метеопараметров является некорректной, плохо обусловленнойи требует регуляризации, заключающейся в введении дополнительной априорной информации и сглаживании решения.

При этом её успешное решение возможно лишь при обеспечении высоких точностных требований к измеряемымспектральным данным, представленным в Таблице 1.Таблица 1Точностные требования к выходным спектральным данным, Значениеизмеряемым ИК-аппаратурой ТВЗА1 Радиометрический шум (случайная составляющая радиомет- (0,1-0,5) Крической погрешности), NEdT, К @ 280 К2 Погрешность радиометрической калибровки (погрешность (0,3-0,5) Кпривязки к абсолютной энергетической шкале), К3 Погрешность спектральной калибровки (погрешность при- (1-5)·10-6вязки к шкале волновых чисел), δν/ν4 Погрешность определения аппаратной функции (нормиро(1-5)%ванная на значение АФ в максимуме)Характеристики ИК-зондировщиков ТВЗА для солнечно-синхронной орбиты включают спектральный диапазон (3,6-15 мкм), полосу обзора (2200 кмдля обеспечения полного покрытия земной поверхности), пространственноеразрешение (15 км) и спектральное разрешение (0,5 см-1).

Как правило, аппаратура ТВЗА выполняется по схеме фурье-спектрометра. На Рисунке 1 представлена функциональная схема бортового фурье-спектрометра ТВЗА, в составе которого можно выделить:- модуль сканера, обеспечивающий сканирование полосы обзора в направлении, поперечном направлению полета КА, а также наведение на опорные источники излучения при проведении калибровочных измерений;- модуль интерферометра, обеспечивающий формирование интерферограммы(ИФГ) входного излучения, представляющей собой зависимость регистрируемого фотоприемником (ФП) сигнала от оптической разности хода (ОРХ);5- референтный лазерный канал, используемый для формирования опросныхимпульсов при оцифровке ИФГ с фиксированным шагом по ОРХ;- радиационный холодильник, предназначенный для захолаживания ФП до рабочей температуры порядка 80 К;- модуль электроники, предназначенный для управления работой прибора.Рисунок 1.Функциональная схема бортового фурье-спектрометра ТВЗАКалибровка фурье-спектрометра включает в себя следующие задачи:- радиометрическая калибровка (приведение оси ординат «y» регистрируемыхспектров к абсолютной шкале измеряемой физической величины (СПЭЯ) с требуемой точностью, а также определение радиометрического шума);- спектральная калибровка (приведение оси абсцисс «x» измеряемых спектров кшкале волновых чисел с требуемой точностью, а также измерение аппаратнойфункции прибора).Кроме того, калибровка бортового фурье-спектрометра включает в себяразработку алгоритмов преобразования измеряемых прибором интерферограммв калиброванные спектры излучения атмосферы; проведение наземных калибровочных испытаний в условиях, максимально приближенных к орбитальным;уточнение полученных результатов калибровки в ходе летных испытаний иштатной эксплуатации на орбите на основе сопоставлений с независимымиспутниковыми измерениями.6Вторая глава работы посвящена исследованию радиометрических характеристик бортовых инфракрасных фурье-спектрометров и разработке методикирадиометрической калибровки прибора.Радиометрический шум, т.е.

случайную составляющую радиометрической погрешности, принято задавать либо в терминах пороговой спектральнойяркости NESR, либо в терминах пороговой разности температур NEdT. Выражение для пороговой спектральной яркости имеет вид:4L ⋅σ ш(1)A ⋅ Ω ⋅τ (ν ) ⋅ηсд (ν ) ⋅ µ (ν ) ⋅ S (ν ) ⋅ Tи учитывает шум сигнала на выходе ФП σ ш , диапазон изменения ОРХ (L) иNESR (ν ) =время съема ИФГ (T), геометрический фактор (A·Ω), а также спектральные характеристики пропускания оптической системы τ(ν), эффективности светоделителя ηсд(ν), чувствительности ФП S(ν) и эффективности модуляции сигнала интерферометром µ(ν), зависящей от качества юстировки интерферометра, погрешностей интерферирующих волновых фронтов, продольной дефокусировкиФП и других факторов.

Среди источников радиометрического шума можно выделить фотонный шум, шум ФП, являющийся зачастую доминирующим; шумпредусилителя, шум выборки и шум квантования. Выполнение требования кпороговой спектральной яркости NESR прорабатывается на этапе проектирования фурье-спектрометра и выполнения светоэнергетического расчета.Помимо радиометрического шума, к измерениям фурье-спектрометрапредъявляются требования к систематической составляющей радиометрической погрешности – погрешности радиометрической калибровки.

Для учетаспектральной чувствительности прибора и его собственного излучения циклограмма работы прибора на орбите должна предусматривать периодическое проведение измерений двух опорных источников: бортового черного тела (БЧТ) икосмоса.

В этом случае уравнение радиометрической калибровки имеет вид: Sɶ АТМ (ν ) − Sɶ КОСМ (ν ) АТМБЧТL (ν ) = Re  БЧТ(2) L (ν ) .КОСМɶɶS(ν)−S(ν)Здесь Sɶ АТМ (ν ) , Sɶ БЧТ (ν ) , Sɶ КОСМ (ν ) - комплексные спектры излучения атмосферы, БЧТ и космоса, полученные в результате фурье-преобразования измеренных ИФГ; LБЧТ (ν ) - СПЭЯ БЧТ; Re{…} – оператор взятия действительной части, а ...