Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 10

В общем случае, при этомнеобходимо разделять собственное излучение БМК, характеризуемое еготемпературой и излучательной способностью, и отраженное излучение, вкладкоторого становится существенным при ε ~ 0.995 и ниже.Однако при обеспечении системой терморегулирования теплового режима смалой флуктуацией температур элементов прибора за виток (период орбиты~100 минут) необходимость в разделении собственного и отраженного излученияпропадает, и БМК можно характеризовать обобщенно спектральной яркостью.

НаРисунке 2.16 представлены относительные графики спектральной яркости БМК,66полученные при различных температурах прибора. Видно, что при увеличениитемпературы прибора вклад отраженной составляющей возрастает.Рисунок 2.16.Отношение СПЭЯ БМК и АЧТ при Т =TБМК для различных температур прибора(зависимость от ТПРИБ обусловлена вкладом отраженного от БМК излучения)Рисунок 2.17.Результаты оценки постоянной составляющей сигнала в ИФГ67На Рисунке 2.17 представлены графики ИФГ, полученные с учетом оценкипостоянной составляющей сигнала согласно выражениям (2.27).Рисунок 2.18.Сигнал в области нечувствительности прибора ν < 625 см-1 (λ > 16 мкм) послекоррекции нелинейности фотоприемникаПосле применения описанной в параграфе 2.2 процедуры калибровки,включающейопределениекоэффициентанелинейностиФП,постояннойсоставляющей в интерферограммах и СПЭЯ бортового черного тела (БМК),остаточнаяпогрешностьрадиометрическойкалибровки(систематическаясоставляющая) составила не более 0.5 К для всего измеряемого диапазонатемператур объекта (250-323) К (Рисунок 2.19).

При этом сигнал в областинечувствительности прибора практически исключается (Рисунок 2.18).68Рисунок 2.19.Остаточная погрешность определения СПЭЯ объекта(в терминах яркостных температур)НаРисунке2.20представленыизмеренныерезультатыпороговойспектральной яркости летного образца ИКФС-2 (случайная составляющаярадиометрическойпогрешности,радиометрическийшум).Каквидно,соответствие ТЗ имеет место во всем рабочем спектральном диапазоне заисключением полосы вблизи 6.4 мкм, наличие которой обусловлено сильнымпоглощениемвпросветляющихпокрытиях.Применяемыемногослойныепокрытия в качестве материала с низким показателем преломления используютфториды, при нанесении которых не удается полностью обеспечить отсутствиевлаги. В связи с этим использование спектральных каналов вблизи 6.4 мкмстановится ограниченным.69Рисунок 2.20.Пороговая спектральная яркость NESR(ν)Следуетотметить,чторадиометрическаякалибровкаспутниковойаппаратуры ТВЗА не ограничивается наземными испытаниями и обязательнотребует дальнейшего уточнения в ходе летных испытаний путем сопоставления ссовмещеннымиизмерениямиприборов-аналогов.Результатытакихсопоставлений, полученные на этапе летных испытаний фурье-спектрометраИКФС-2, представлены в параграфах 4.2 и 4.3 главы 4.Выводы к главе 2:1.

Проведен анализ основных источников случайной и систематическойсоставляющих радиометрической погрешности фурье-спектрометров.2. На основе анализа уравнения радиометрической калибровки фурье-спектрометра с использованием измерений двух опорных источников показано:- не требуется проведения дополнительных процедур фазовой коррекции ИФГ;70- уровень шума уменьшается в корень из двух раз по сравнению с методикойкалибровки, оперирующей модулями измеряемых комплексных спектров;- при использовании усреднения спектров опорных источников по 30 измерениямвклад погрешности измерения опорных источников в радиометрический шум непревышает 1%;- при ограничении шумами ФПУ выбор температуры бортового черного тела 40°Сявляется обоснованным.3.

При использовании в инфракрасном фурье-спектрометре фоторезистораHgCdTe с длинноволновой границей чувствительности 14 мкм и вышенеобходимо учитывать нелинейность фотоприемника, представляемую в видестепенного ряда. Процедура коррекции также должна включать в себя учет АЧХи ФЧХ электронного тракта, а оценку величины постоянной составляющейсигнала, соответствующего немодулированному потоку излучения, следуетпроводить с учетом эффективности модуляции – контраста интерференции,обеспечиваемого интерферометром.4. Определение квадратичного коэффициента нелинейности целесообразноосуществлять путем минимизации сигнала в области нечувствительности прибораменее 600 см-1, где оптический сигнал практически отсутствует из-за поглощенияоптическими элементами.5.

Разработанаметодикапроведенияназемнойрадиометрическойкалибровки бортового инфракрасного фурье-спектрометра в вакуумной камере вусловиях, максимально приближенных к условиям орбитального полета.Проведена радиометрическая калибровка летного образца аппаратуры ИКФС-2, врезультате которой остаточная погрешность определения яркостной температурысоставила ±0.2 К в диапазоне длин волн (7.5-15) мкм и для диапазона температуробъекта наблюдения (250-323) К. Подтверждение и уточнение полученныхрезультатов радиометрической калибровки ИКФС-2 в условиях штатнойэксплуатации на орбите представлено в главе 4.71ГЛАВА 3.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКБОРТОВЫХ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИСПЕКТРАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИСреди требований к спектральным характеристикам ИК-аппаратурыТВЗАвсегдауказываетсярабочийспектральныйдиапазон,атакжеспектральное разрешение (для фурье-спектрометра характеризуемое, в первуюочередь, диапазоном изменения ОРХ в интерферограмме). Однако, как былоуказано в параграфе 1.2 главы 1, точностные спектральные требования,предъявляемые к измеряемым спектрам, включают погрешность спектральнойпривязки к шкале волновых чисел, а также погрешность определенияаппаратной функции (АФ) прибора.

АФ определяется как нормированныйспектральный отклик прибора на входное монохроматическое излучение, приэтом спектральное разрешение есть ширина АФ по уровню 0.5 от значения вмаксимуме. Исследование факторов, влияющих на погрешность спектральнойпривязки и форму АФ фурье-спектрометра, являются предметом исследованиянастоящегораздела.Результатомпроведенногоисследованияявляетсяразработка соответствующих методик спектральной калибровки аппаратурысерии ИКФС.3.1. Разработка методики спектральной привязки измеряемых спектров кшкале волновых чиселДля формирования опросных импульсов оцифровки сигнала ИФГ,регистрируемогофурье-спектрометром,широкоеприменениенаходитиспользование лазерного референтного (опорного) канала.

При выборкеотсчетов ИФГ с шагом, равным периоду референтного сигнала, шкалаволновых чисел, полученных в результате фурье-преобразования дискретнойИФГ, определяется выражением:72νi =iii== ν РЕФ .2 L N λРЕФ N(3.1)Здесь L – максимальная разность хода (МРХ) в двухсторонней ИФГ, N - числоотсчетов в ИФГ, λРЕФ и νРЕФ – длина волны и волновое число излучения лазера.Видно, что погрешность знания длины волны лазера референтного каналабудет приводить к погрешности в положении спектральных отсчетов:δν i δν РЕФ=.νiν РЕФ(3.2)Таким образом, требование к допустимой погрешности спектральной привязкисводится к точности знания длины волны излучения лазера референтногоканала.

В соответствии с п.1.2 главы 1, требование к спектральной точностиδν/ν фурье-спектрометров ТВЗА, как правило, составляет 1% от спектральногоразрешения Δν, т.е. примерно (1-5)∙10-6. Это означает, что при работе приборана орбите неопределенность знания длины волны лазера референтного каналане должна превышать (1-5) ∙10-6 ∙λРЕФ.Вкачествеисточникаизлученияреферентногоканалафурье-спектрометров среднего ИК-диапазона (3-15 мкм), как правило, используютсялазерные диоды c распределенной обратной связью (РОС), излучающие вблизи1,31 мкм (ИКФС-2, TANSO-FTS) или 1,55 мкм (IASI, CrIS). Благодаря РОСобеспечивается генерация одной продольной моды и, как следствие, высокаяспектральнаястабильностьвыходногоизлучения.Однакодляполупроводниковых лазерных диодов характерна зависимость длины волныизлучения от температуры, подлежащая исследованию для корректного учетапри обработке.3.1.1.

Разработка методики коррекции зависимости длины волны излучениялазера референтного канала от температурыОдной из проблем спектральной привязки измерений фурье-спектрометраявляется нестабильность длины волны лазерного излучения. В частности,значение λРЕФ зависит от температуры лазерного модуля, при этом стандартное73значение температурного коэффициента ∂λРЕФ/∂T составляет порядка 0.1 нм/К,что с точки зрения спектральной привязки соответствует величине ~60 ppm/Kпри λРЕФ = (1.3-1.5) мкм. Следовательно, требование к точности стабилизациитемпературы лазерного излучателя (или, по крайней мере, к точности еёизмерения при последующем учете) при требовании Δν/ν = 2ppm составляет~0.03 К.Такаястабилизациятемпературылазерногомодуляможет бытьобеспечена, например, с помощью элемента Пельтье, однако в приборе ИКФС2 такая система отсутствует.

Более того, в ИКФС-2 отсутствует датчиктемпературы непосредственно излучателя лазерного модуля. Поэтому в ходеназемных испытаний исследовалась связь длины волны лазера от температурыоснованиямодуляинтерферометра(датчикТМИ1),измеряемойвнепосредственной близости от места установки лазерного модуля.Для летного образца аппаратуры ИКФС-2 были проведены наземныеизмерения спектров излучения атмосферы при наблюдении в зенит, при этом стечением времени температура прибора изменялась в интервале (20-26)°С(Рисунок 3.1). Видно, что с уменьшением температуры прибора ТМИ1 шкалаволновых чисел сжимается, что приводит к сдвигу линий пропорциональноволновому числу (Рисунок 3.2).Рисунок 3.1.Измеренные спектры атмосферы (в зенит), прошедшие этап радиометрическойкалибровки, при различных температурах прибора; справа – показания датчикатемпературы прибора ТМИ1 при измерениях атмосферы740.12ТМИ1 = 25.39 oC0.1СПЭЯ, [Вт/м2/ср/см-1]ТМИ1 = 19.40 oС0.080.060.04СПЭЯ, [Вт/м2/ср/см-1]ТМИ1 = 22.07 oC0.055ТМИ1 = 25.39oC0.05ТМИ1 = 22.07oC0.045ТМИ1 = 19.40oC0.040.0350.030.0250.020.0150.020.010783783.5784784.5785волновое число, см-1785.57860.0051196.511971197.5 1198 1198.5волновое число, см-111991199.5Рисунок 3.2.Сдвиг линий 784 и 1198 см-1, вызванный температурным уходом длины волныизлучения лазера референтного канала (величина сдвига пропорциональнаволновому числу центра линии)Рисунок 3.3.Графики изменения положения центра линий 784 см-1 (слева) и 1198 см-1(справа) со временем, вызванные зависимостью длины волны излучения лазерареферентного канала от температурыНа Рисунке 3.3 представлено смещение положения центра линий 784 см-1и 1198 см-1 со временем, коррелирующее с изменением температуры прибора75ТМИ1 (Рисунок 3.1 справа).С использованием выражения (3.1) можно пересчитать изменение длиныволны лазера референтного канала за время измерений: λРЕФ =i −1.

Результаты,Nν iпредставленные на Рисунке 3.4, показывают, что температурные зависимостидлины волны излучения лазера референтного канала, полученные на основеизмерения смещения центра линий 784 и 1198 см-1, практически совпадают иблизки к линейным. Значение ΔλРЕФ/ΔT составило величину 0.08 нм/К, чтохорошо согласуется с заявленным производителем лазерного модуля значением0.07 нм/К.Рисунок 3.4.Графики температурной зависимости длины волны излучения лазерареферентного канала, полученные на основе измерения смещения центра линий784 и 1198 см-1Таким образом, проведенные измерения, во-первых, подтвердилилинейную зависимость длины волны излучения лазера референтного канала оттемпературы и значение температурного коэффициента ΔλРЕФ/ΔT, а во-вторых,свидетельствуют о хорошей тепловой связи между основанием модуля76интерферометра(датчикТМИ1)итемпературойлазерногоизлучателя.Качественно это подтверждается проведенными расчетами теплового режимаприбора на орбите (Рисунок 3.5).