Автореферат (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 3

означает усреднение опорных спектров. В работе рассматриваютсявопросы выбора оптимальной температуры БЧТ, а также необходимого числаизмерений при усреднении спектров опорных источников.Однако уравнение (1) справедливо лишь при условии линейности фотоприемного тракта, что на практике, как правило, не выполняется. В частности,7для широко используемых фоторезисторов на основе HgCdTe с длинноволновой границей чувствительности более 14 мкм характерна существенно нелинейная зависимость фотопроводимости от величины падающего потока, особенно с учетом большого динамического диапазона сигнала ИФГ.

Связь междулинейной и нелинейной ИФГ (I(x) и IНЛ(x) соответственно) на выходе фотоприемника можно представить в виде степенного ряда:I НЛ ( x) + I НЛ ,0 = [ I ( x) + I 0 ] + a ⋅ [ I ( x) + I 0 ] + b ⋅ [ I ( x) + I 0 ] ,23(3)где (а,b) – коэффициенты нелинейности ФП, а I0 – постоянная составляющаясигнала ФП. Спектр такой нелинейной ИФГ искажается, при этом характернымявляется возникновение сигнала вне рабочего диапазона спектра (λ > 17 мкм),где пропускание оптической системы и чувствительность ФП близки к нулю.Характеризация нелинейности ФП, наряду с определением спектральной яркости БЧТ, являются основными задачами наземной радиометрической калибровки бортового фурье-спектрометра.Для проведения радиометрической калибровки в условиях, максимальноприближенных к орбитальным, прибор устанавливается в вакуумной камере скриогенными экранами (Рисунок 2).

Напротив прибора устанавливаются двачерных тела: «холодное» (ХЧТ), охлаждаемое жидким азотом и имитирующеенаблюдение космоса, и рабочая модель АЧТ, используемая как эталонный объект с известной спектральной яркостью. С помощью термостата можно точнозадавать температуру АЧТ в диапазоне (220-320) К.Рисунок 2.Криовакуумный стенд для проведения радиометрической калибровкибортового инфракрасного фурье-спектрометра8Исходная погрешность определения яркостной температуры рабочей модели АЧТ прибором (без учета нелинейности фотоприемного тракта) может составлять несколько градусов, значительно превышая требование 0,5 К.Для коррекции нелинейности ФП и определения СПЭЯ БЧТ предложенаследующая процедура: 1) сигнал ИФГ пересчитывается к выходу ФП с учетомАЧХ и ФЧХ электронного тракта; 2) значение постоянной составляющей ИФГI0, отсекаемой электронным трактом, оценивается с учетом контраста интерференции, обеспечиваемого прибором; 3) коэффициенты нелинейности ФП (a,b)определяются итерационно путем минимизации сигнала в области нечувствительности прибора (λ > 17 мкм); 4) определение СПЭЯ БЧТ осуществляется путем минимизации невязки между измеренной и истинной спектральными яркостями рабочей модели АЧТ во всем рабочем спектральном диапазоне.С использованием разработанной методики была проведена радиометрическая калибровка летного образца фурье-спектрометра ИКФС-2, определеныкоэффициенты нелинейности ФП и СПЭЯ БЧТ.

При этом в результате, каквидно из Рисунка 3, остаточная погрешность измерения яркостной температурыобъекта не превышает 0,3 К.Рисунок 3.Погрешность определения СПЭЯ рабочей модели АЧТ (в терминах яркостныхтемператур) до (слева) и после (справа) калибровки ИКФС-2Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию спектральных характеристик бортовых фурье-спектрометров, включая погрешностьспектральной привязки измеряемых спектров к шкале волновых чисел и погрешность определения аппаратной функции прибора, а также разработке методики спектральной калибровки фурье-спектрометра.В бортовых фурье-спектрометрах для оцифровки ИФГ широкое применение находит использование лазерного референтного канала, при этом шаг выборки по ОРХ определяется значением длины волны излучения лазера λРЕФ.

В9этом случае шкала спектральных отсчетов определяется значением λРЕФ, играющим роль масштабирующего множителя. В качестве источника, как правило,используется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью идлиной волны излучения вблизи 1,31 или 1,55 мкм.Существует ряд факторов, приводящих к наличию погрешности спектральной привязки, среди которых наличие зависимости длины волны излучения лазера референтного канала от температуры, медленный дрейф длины волны излучения лазера со временем, а также возможная несоосность основного иреферентного каналов. В результате возникает необходимость в разработке методики спектральной привязки непосредственно по измеряемым спектрам.В ходе разработки данной методики был обоснован выбор спектральногоподдиапазона в полосе поглощения СО2 (722-740) см-1, для которого характернапериодическая структура спектра с амплитудой колебаний СПЭЯ, существеннопревышающей уровень радиометрического шума для большинства состоянийатмосферы.

В качестве оценочной функции предложено использование суммыквадратов разности между измеренным L(ν) и опорным L0(ν) спектрами, вычисляемой при различных значениях абсолютного спектрального сдвига ∆ν:2MF (∆ν j ) = ∑  L(ν i + ∆ν j ) − L0 (ν i )  .(5)iПо положению минимума оценочной функции вычисляется текущее значениедлины волны референтного лазера λРЕФ. Однако, как показано в работе, еслиизмеренный и опорный спектры соответствуют различным состояниям атмосферы, то использование выражения (5) может давать смещенную оценку. В результате исследования был предложен оригинальный способ вычисления опорного спектра L0(ν) на основе метода главных компонент.

Поскольку спектральные отсчеты в диапазоне (722-740) см-1 сильно коррелированы, анализируемыйспектр атмосферы в этом диапазоне удобно разложить по эмпирическим ортогональным функциям в виде:NL (ν ) = L (ν ) + ∑ ai f i (ν ) .(6)i =1Тогда в качестве опорного спектра L0(ν) выбирается такой из заранее вычисленных расчетных спектров, который имеет близкие коэффициенты разложения(ai) с анализируемым. Эмпирические ортогональные функции fi(ν) и среднеезначение СПЭЯ L (ν ) для данного спектрального диапазона вычисляются заранее по всему ансамблю расчетных спектров, соответствующих различным состояниям атмосферы, а число N используемых главных компонент (N < 10)определяется экспериментально.Второй задачей спектральной калибровки фурье-спектрометра является10определение аппаратной функции (АФ) прибора, т.е.

спектрального отклика навходное монохроматическое излучение. При этом возникает задача моделирования АФ во всем рабочем спектральном диапазоне по измерениям спектрального отклика на квазимонохроматическое излучение ограниченного набора лазерных источников. В работе исследуется ряд факторов, влияющих на формуАФ: 1) ограниченный диапазон изменения ОРХ; 2) размеры, положение и форма мгновенного поля зрения; 3) распределение угловой чувствительности прибора в пределах поля зрения; 4) остаточная разъюстировка интерферометра.При измерении АФ в качестве объекта излучения, расположенного в фокальной плоскости коллиматора, может использоваться либо плоская диффузная мишень, равномерно подсвечиваемая лазерным излучением, либо интегрирующая сфера.

Для исключения фонового излучения проводятся последовательные измерения с включенным и выключенным лазерным источником. В результате регистрируемую ИФГ I ( x;ν 0 ) можно представить в виде:I ( x;ν 0 ) = A ( x;ν 0 ) cos  2πν 0 x + Φ ( x;ν 0 ) , Aɶ ( x;ν 0 ) = A ( x;ν 0 ) exp i ⋅ Φ ( x;ν 0 )  , (7)где А(x;ν0) и Ф(x;ν0) – огибающая и фазовая функция, зависящие от волновогочисла входного излучения. На Рисунке 4 представлены полученные для прибора ИКФС-2 огибающие и фазы ИФГ для квазимонохроматического излученияCO2-лазера (10,3 мкм) и HeNe-лазера (5,4 мкм), а на Рисунке 5 - соответствующие спектральные отклики, полученные в результате преобразования Фурьеизмеренных ИФГ.

Анализ результатов измерений показывает: 1) различие вширине аппаратной функции по уровню 0,5; 2) наличие сдвига положения максимума АФ влево; 3) асимметричность АФ относительно положения максимума; 4) наличие незначительной мнимой части АФ (из-за несимметричностиогибающей и фазы относительно положения нулевой ОРХ).Рисунок 4.Огибающие и фазы измеренных ИФГ квазимонохроматического входного излучения CO2-лазера (10,3 мкм, слева) и HeNe-лазера (5,4 мкм, справа) для двухнаправлений сканирования по ОРХ11Рисунок 5.Измеренный спектральный отклик прибора ИКФС-2 на излучение CO2-лазера(975,931 см-1, слева) и HeNe-лазера (1850,139 см-1, справа)Для характеризации АФ ILS(ν;ν0) во всем рабочем спектральном диапазоне было проведено моделирование результатов измерений в виде:Aɶ ( x;ν 0 ) = ∫∫ P (α , β ) exp iπν 0 2 y ( x) ⋅ α + 2 z ( x) ⋅ β − x (α 2 + β 2 ) dα d β , (8)(DILS (ν ;ν 0 ) =)L∫ Aɶ ( x;ν ) ⋅ exp [ −i 2πν x ] dx .0(9)−LПри этом учитывались диапазон изменения ОРХ (L), размеры и положение чувствительной площадки ФП (D), распределение угловой чувствительности прибора P(α,β).

Для учета влияния разъюстировки интерферометра было полученовыражение для поперечного сдвига (y(x),z(x)) интерферирующих пучков, возникающего в схеме «двойной маятник» при наличии разъюстировки светоделителя и погрешности установки вершин уголковых отражателей.В результате процедуры оптимизации были получены параметры траектории взаимного перемещения уголковых отражателей, наилучшим образомописывающие полученные для фурье-спектрометра ИКФС-2 огибающие и фазы ИФГ лазерных источников. Проведенное моделирование позволило рассчитать АФ прибора для всего рабочего спектрального диапазона.Наконец, четвертая глава диссертации посвящена подтверждению результатов калибровки аппаратуры ИКФС-2 путем сопоставлений измерений,полученных в ходе летных испытаний и штатной эксплуатации прибора на орбите, с данными независимых спутниковых измерений.Для проверки радиометрической калибровки проводилось сопоставлениеизмерений ИКФС-2 с радиометром SEVIRI, установленном на европейскомспутнике Meteosat-10 на геостационарной орбите.

Спектральный диапазонИКФС-2 охватывает шесть инфракрасных каналов SEVIRI: 7.3, 8.7, 9.7, 10.8,1212.0 и 13.4 мкм. Для возможности сопоставления проводилось согласованиеспектральных и пространственных характеристик прибора, при этом отбирались измерения двух приборов, совмещенные по времени и геометрии наблюдения. В результате интеркалибровки было получено: 1) среднее значение разности яркостных температур, измеряемых двумя приборами, для всех каналовне превышает 0,2 К; 2) для канала 7,3 мкм имеет место независимость погрешности радиометрической калибровки ИКФС-2 от температуры сцены, что вызвано остаточной (неустраненной) нелинейностью ФП; 3) состояние радиометрической калибровки ИКФС-2 стабильно во времени.Для получения более детальной информации о калибровке аппаратурыИКФС-2 были проведены сопоставления с измерениями европейского фурьеспектрометра IASI.

Поскольку параметры орбит двух спутников близки, то периодически возникают ситуации, когда траектории движения спутников практически совпадают, а временная задержка составляет не более 20 минут. Длявозможности прямого сопоставления спектры IASI пересчитывались для параметров ИКФС-2 с учетом диапазона ОРХ, аподизации и шага спектральной сетки. В результате сопоставлений было отобрано более десяти тысяч совмещенных пар спектров ИКФС-2 и IASI, представляющих широкий диапазон интенсивностей и яркостных температур, включающих измерения над морской поверхностью и над сушей, как в экваториальной области, так и в приполярной,как облачные, так и безоблачные. Для подавляющего большинства совмещенных измерений ИКФС-2 и IASI графики спектров, измеренных двумя приборами, практически совпадают.