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

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………5ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ХАРАКТЕРИСТИКАМБОРТОВОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙАППАРАТУРЫ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА………………111.1. Задача температурно-влажностного зондирования атмосферы Землииз космоса…………………………….……………………………………111.2.

Требования к характеристикам бортовой инфракраснойгиперспектральной аппаратуры метеорологического обеспечения…...181.2.1. Радиометрический шум…………………………………………….211.2.2. Погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале......221.2.3. Погрешность спектральной привязки к шкале волновых чисел...231.2.4.

Погрешность определения аппаратной функции………………...261.3. Бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура ТВЗАкосмического базирования…………………..……………………………271.3.1. Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2: назначение, характеристики, состав и функциональная схема…...……...291.3.2. Сравнение технических характеристик бортовых инфракрасныхфурье-спектрометров ТВЗА321.4. Постановка задачи калибровки бортовых инфракрасныхфурье-спектрометров ТВЗА……………………………………………...33Выводы к главе 1………………………………………………………………36ГЛАВА 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ И РАЗРАБОТКАМЕТОДИКИ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ…………………...372.1. Анализ источников радиометрической погрешностифурье-спектрометров…………………….……………………………….373Стр.2.2. Разработка методики радиометрической калибровки фурьеспектрометров…………………………………………………………….392.2.1. Уравнение радиометрической калибровки ………………………392.2.2. Анализ фазовых искажений в интерферограммах……………….422.2.3. Усреднение спектров опорных источников………………………432.2.4.

Выбор оптимальной температуры бортового черного тела……..452.2.5. Методика коррекции нелинейности фотоприемника…………….492.2.6. Определение спектральной яркости бортового черного тела…...542.2.7. Учет угла поворота зеркала сканера………………………………552.3. Результаты наземной калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2в криогенно-вакуумной камере………..…………………………………562.3.1. Описание криогенно-вакуумного стенда радиометрическойкалибровки фурье-спектрометра562.3.2.

Результаты наземной радиометрической калибровки ИКФС-260Выводы к главе 2………………………………………………………………69ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКБОРТОВЫХ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИСПЕКТРАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ………………..…………………………713.1. Разработка методики спектральной привязки измеряемых спектров кшкале волновых чисел……………………………………………………713.1.1. Разработка методики коррекции зависимости длины волныизлучения лазера референтного канала от температуры………...723.1.2. Разработка методики спектральной привязки непосредственнопо измеряемым спектрам…………………………………………..773.2.

Исследование факторов, определяющих аппаратную функциюфурье-спектрометров………….…………………………………………803.2.1. Диапазон изменения разности хода и функция аподизации…….813.2.2. Размер и положение чувствительных площадок фотоприемника824Стр.3.2.3. Поперечная дефокусировка фотоприемника……………………..843.2.4.

Угловая чувствительность прибора……………………………….863.2.5. Остаточная разъюстировка интерферометра……………………..863.3. Разработка методики и результаты измерения аппаратной функциифурье-спектрометра ИКФС-2………………..…………………………..893.4. Характеризация аппаратной функции фурье-спектрометра…..……….933.4.1. Оценка величин параметров разъюстировки интерферометра….933.4.2. Измерение угловой чувствительности прибора………………….953.4.3. Результаты моделирования аппаратной функции ИКФС-2……..96Выводы к главе 3………………………………………………………………98ГЛАВА 4.

РЕЗУЛЬТАТЫ СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ФУРЬЕСПЕКТРОМЕТРА ИКФС-2, ПОЛУЧЕННЫХ В ХОДЕ ЛЁТНЫХИСПЫТАНИЙ КА «МЕТЕОР-М» № 2, С ДАННЫМИ НЕЗАВИСИМЫХСПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ……………………………………………1004.1. Анализ состояния спектральной привязки измерений ИКФС-2………1004.2. Сопоставление измерений ИКФС-2 и радиометра SEVIRI (спутникMeteosat-10)……………………………………………………………….1124.3.

Сопоставление измерений ИКФС-2 и европейского фурьеспектрометра IASI (спутник MetOp)……………………………………..1194.4. Результаты восстановления параметров и состояния атмосферы поданным ИКФС-2…………………………………………………………..128Выводы к главе 4………………………………………………………………131ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………132СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………135СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..…………...1425ВВЕДЕНИЕСовременные требования к качеству и достоверности краткосрочного идолгосрочного прогнозирования погоды и климата могут быть выполнены толькос использованием технологий численного прогноза погоды (Numerical WeatherPrediction, NWP) на основе данных глобальных измерений. Ввиду невозможностиобеспечения аэрологических наблюдений над акваториями океанов (2/3 земнойповерхности) и в труднодоступных районах, роль спутниковых методовполученияглобальныхданныхдистанционногозондированияатмосферыстановится определяющей.

Кроме того, глобальный мониторинг атмосферы иземной поверхности необходим для эффективного контроля опасных погодныхявлений и предупреждения об их появлении; мониторинга Мирового океана;комплексного контроля озонового слоя в атмосфере Земли; контроля динамикималых газов в атмосфере, влияющих на «парниковый» эффект; контролячрезвычайных ситуаций.Указанные задачи решаются с использованием результатов измеренийсканирующих по пространству радиометров и спектрометров, работающих вразличных диапазонах спектра. В частности, для задач восстановленияметеопараметроватмосферынаиболееэффективнымподходомявляетсясовместное использование данных инфракрасной гиперспектральной аппаратуры(фурье-спектрометровилидифракционныхспектрометров)иданныхмикроволновых зондировщиков, способных получать информацию при наличииоблаков.В настоящее время на солнечно-синхронных околополярных орбитахуспешно функционируют фурье-спектрометры IASI (европейские спутникиMetOp-A и MetOp-B, 2006 и 2012 годы запуска), CrIS (американский спутник NPPSuomi, 2011 г.) и российский фурье-спектрометр ИКФС-2 (космический аппарат(КА) «Метеор-М» № 2, дата запуска – июль 2014 г).

Получаемая даннойаппаратурой информация используется системами ассимиляции глобальных6данных для инициализации численного метеопрогноза.Актуальность темы диссертации обусловлена созданием в России в ГНЦФГУП«Центрспектрометров)Келдыша»сериибортовойинфракраснойИКФС, предназначеннойдляаппаратуры(фурье-измеренияспектровисходящего излучения системы «атмосфера – поверхность» Земли и получения наих основе данных о параметрах и составе атмосферы: вертикальных профилейтемпературы и влажности, общего содержания и высотного распределения озона,определения температуры подстилающей поверхности, общего содержаниямалых газовых составляющих и др.

При этом успешное решение обратной задачипереноса излучения в атмосфере возможно лишь при выполнении высокихтребований к точности спектральных измерений, что требует проведениякалибровки прибора, являющейся одним из ключевых этапов созданияизмерительной аппаратуры.Следует отметить, что существующие методики радиометрической испектральной калибровки фурье-спектрометров, разработанные для зарубежныхприборов-аналогов (IASI, CrIS), в значительной степени ориентированы нааппаратную реализацию, поэтому применимы лишь к конкретной аппаратуре, неносят универсального характера и, в частности, не могут быть применены длякалибровки аппаратуры серии ИКФС.Целью работы является обеспечение требуемых точностных характеристикбортовогоинфракрасногофурье-спектрометратемпературно-влажностногозондирования атмосферы (ТВЗА) Земли из космоса.Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены ирешены следующие задачи:1.

Определение требований к точностным характеристикам бортовойинфракрасной гиперспектральной аппаратуры ТВЗА.2. Анализосновныхисточниковслучайнойисистематическойпогрешностей измерений бортовых фурье-спектрометров.3. Разработкаметодикирадиометрическойинфракрасных фурье-спектрометров.калибровкибортовых74. Разработкаметодикипривязкиизмеряемыхфурье-спектрометромспектров атмосферы к шкале волновых чисел.5. Разработкаметодикиопределенияаппаратнойфункциифурье-спектрометра во всем рабочем спектральном диапазоне.6. Реализацияалгоритмовпреобразованияизмеряемыхфурье-спектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферыв 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.Методы исследованияПри решении поставленных задач использовались теория переносаизлученияватмосфере,пространственно-частотныйметоданализапреобразования сигнала оптико-электронным трактом фурье-спектрометра,методы цифровой обработки сигналов, численные методы решения задачоптимизации, экспериментальное моделирование условий работы прибора наорбите при наземной отработке, статистический анализ спектральных данных.Научная новизнаНаучная новизна работы заключается в том, что впервые:1.

Разработана методика наземной радиометрической калибровки бортовогоинфракрасногоприближенныхфурье-спектрометракорбитальным,ТВЗАвпозволяющаяусловиях,максимальноопределитьспектральнуюплотность энергетической яркости (СПЭЯ) бортового черного тела и выполнитькоррекцию нелинейности фотоприемника с учетом частотных характеристикэлектронного тракта и контраста интерференции, обеспечиваемого прибором.2. Разработанаметодикаспектральнойпривязкиизмеренийфурье-спектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел непосредственно по измеряемымспектрам атмосферы с обоснованием выбора спектрального поддиапазона,оценочной функции, чувствительной к спектральному сдвигу, и способавычисления опорного спектра на основе метода главных компонент.83.