Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 12

Поперечная дефокусировка фотоприемникаВлияние поперечной дефокусировки ФП ( ∆α , ∆β ) учитывается при85определении пределов интегрирования по полю зрения:α m +∆α β m +∆βA (ν x ) =−∫αm +∆α−∫βexp  −iπν x (α 2 + β 2 ) dα d β .m +∆βДопуск на поперечную дефокусировку для ИКФС-2: 50 мкм, или 1 мрад. НаРисунке 3.12 представлены графики огибающей и фазы монохроматическойИФГ для ν0 = 1000 см-1 при различных значениях поперечной дефокусировки, ана Рисунке 3.13 – соответствующие графики спектрального отклика.Рисунок 3.12.Влияние поперечной дефокусировки ФП на огибающую (слева) и фазу (справа)монохроматической интерферограммы (ν0 = 1000 см-1)нормированный спектральный откликвлияние поперечного смещения ФП на аппаратную функцию10 мрад2 мрад4 мрад6 мрад8 мрад10 мрад0.80.60.40.20-0.2-1.5-1-0.500.511.5волновое число, см-1(относительно v = 1000 см-1)0Рисунок 3.13.Влияние поперечной дефокусировки ФП на форму спектрального отклика(ν0 = 1000 см-1)863.2.4.

Угловая чувствительность P (α , β )Угловая чувствительность P (α , β ) определяется как весовая функция поотношению к предметным углам:α m βmA (ν x ) =−∫α ∫β P (α , β ) exp  −iπν x (αm−2+ β 2 ) dα d β .mФункция P (α , β ) подлежит измерению (см. параграф 3.4). Следуетотметить,что использование весовой функции P (α , β ) в модели АФ позволяет учитыватьрассмотренные выше факторы (разделы 3.2.2 и 3.2.3), а также учитыватьвиньетирование (Рисунок 3.14) и неравномерность чувствительности впределах чувствительной площадки ФП (параграф 3.4).самоаподизация ИФГ с учетом виньетирования10.95огибающая ИФГ0.90.850.8без виньетированияс учетом виньетирования0.750.70.65-2-1.5-1-0.500.511.52разность хода, смРисунок 3.14.Самоаподизация ИФГ с учетом виньетирования3.2.5. Остаточная разъюстировка интерферометраМожно показать, что для схемы интерферометра типа «двойной маятник»траекторию возможного взаимного поперечного сдвига интерферирующихпучков можно рассматривать в линейном приближении:x y ( x ) = y0 + y1 L.xz ( x) = z + z01L87Здесь y0 , z0 ,[ мкм] характеризуют поперечный сдвиг интерферирующих пучков(удвоенный поперечный сдвиг вершин уголковых отражателей) в положенииНРХ; y1 , z1 , [ мкм ] определяют наклон траектории взаимного перемещения.

Вэтом случае функция самоаподизации имеет вид:α m βmA ( x,ν ) =∫α ∫β P (α , β ) exp iπν  2 ( y α + z β ) + x ( 2 y α + 2 z β − α0−m−0121− β 2 )  dα d β .mКоэффициенты y0 , z0 в первую очередь влияют на контраст интерференции, т.е.на значение эффективности модуляции в положении НРХ (Рисунок 3.15).влияние параметров y и z разъюстировки интеферометра00нак контраст интерференеции1относ. эффективность модуляции0.90.8y =10мкм00.7y =20мкм0.6y0=30мкм00.5y =40мкм0y =50мкм00.4y =60мкм0.3y0=70мкм00.20.1y =80мкм0y0=90мкмy =100мкм00600800100012001400160018002000волновое число, см-1Рисунок 3.15.Влияние параметров (y0,z0) разъюстировки интерферометрана эффективность модуляции μ(ν)На Рисунках 3.16 и 3.17 представлено влияние коэффициентов (y0,z0) и(y1,z1) на огибающую и фазу в монохроматической ИФГ, а на Рисунке 3.18 –влияние данных коэффициентов на форму спектрального отклика.Проведенный анализ факторов, определяющих форму АФ фурьеспектрометра, необходим для моделирования (характеризации) АФ во всемрабочем спектральном диапазоне на основе измерений спектрального отклика88прибораподвумквазимонохроматическимисточникам.Результатыпроведенных измерений и моделирования АФ для фурье-спектрометра ИКФС-2представлены в параграфе 3.3.Рисунок 3.16.Влияние параметров (y0,z0) разъюстировки интерферометра на огибающую(слева) и фазу (справа) монохроматической ИФГ (ν0 = 1000 см-1)Рисунок 3.17.Влияние параметров (y1,z1) разъюстировки интерферометра на огибающую(слева) и фазу (справа) монохроматической ИФГ (ν0 = 1000 см-1)89Рисунок 3.18.Влияние параметров (y0,z0) и (y1,z1) разъюстировки интерферометра на видаппаратной функции (ν0 = 1000 см-1)3.3.

Разработка методики и результаты измерения аппаратной функциифурье-спектрометраНа Рисунке 3.19 представлена схема измерения АФ. Первоначально вкачестве объекта наблюдения использовалась мишень в виде плоскойпластины, подсвечиваемая квазимонохроматическим излучением CO2- илиHeNe-лазера. Мишень располагалась в фокальной плоскости внеосевогопараболического зеркала, коллимирующего излучение для регистрации фурьеспектрометром. Однако поскольку одним из важнейших требований к схемеизмерения является обеспечение равномерности заполнения излучениемапертуры и поля зрения прибора, то в последующем данная схема быламодернизирована в части использования интегрирующей сферы вместо плоскоймишени (интегрирующая сфера Labspherе со специальным внутреннимзолотым покрытием, предназначенным для работы в среднем и дальнеминфракрасном диапазоне). Следует отметить, что в схеме попутно решаласьзадача ослабления мощности излучения CO2-лазера.90Рисунок 3.19.Схема измерения аппаратной функции фурье-спектрометраДля получения ИФГ от монохроматического источника сначалапроводилось измерение ИФГ с включенным лазером, а затем для устраненияфонового сплошного спектра – с выключенным (Рисунок 3.20).Рисунок 3.20.Исключение фоновой составляющей в интерферограммеВ результате были получены ИФГ (Рисунок 3.21), соответствующиеквазимонохроматическому протяженному источнику с волновым числом975.931 см-1 (~10.3 мкм, CO2-лазер) и 1850.139 см-1 (HeNe-лазер):I ( x;ν 0 ) = A ( x;ν 0 ) ⋅ cos ( 2πν 0 x + Φ ( x;ν 0 ) ) .91Рисунок 3.21.Интерферограммы, зарегистрированные при наблюдении CO2-лазера (10.3 мкм,975.931 см-1, слева) и HeNe-лазера (5.4 мкм, 1850.139 см-1, справа)Для выделения огибающей и фазы ИФГ (Рисунок 3.22) применялосьпреобразованиеГильберта.Следуетотметитьнезначительнуюнесимметричность полученных огибающих и фаз относительно положениянулевой разности хода (положения максимума ИФГ для сплошного спектра),что приводит к появлению мнимой части АФ.

Ниже будет показано, что данноеобстоятельство обусловлено остаточной разъюстировкой интерферометра. Темне менее, полученные результаты для двух направлений сканирования ОРХ(далее условно «правого» и «левого») являются симметричными (огибающие) иантисимметричными (фазы).Рисунок 3.22.Огибающие и фазы интерферограммы CO2-лазера (слева) и HeNe-лазера(справа) для двух направлений сканирования по ОРХ92Рисунок 3.23.Форма спектрального отклика на излучение CO2-лазера (975.931 см-1, слева) иHeNe-лазера (1850.139 см-1, справа)На Рисунке 3.23 представлен спектральный отклик, соответствующийизмеренным ИФГ CO2-лазера и HeNe-лазера.

Анализ полученных результатовпоказывает, что:- ширина АФ по уровню 0.5: 0.39 см-1 для CO2-лазера (975.931 см-1) и 0.47 см-1для HeNe-лазера (1850.139 см-1);- сдвиг положения максимума линии влево по шкале волновых чисел: 0.119 см-1для линии CO2-лазера и 0.184 см-1 для HeNe-лазера;- форма АФ асимметрична относительно положения максимума;- из-за асимметрии огибающей A( x ) и фазы Φ ( x ) (рисунок 3.22) относительноположения НРХ полученные АФ имеют незначительную мнимую часть.Коррекция самоаподизации заключается в устранении огибающей и фазы,и её можно проводить как в спектральной, так и в области ИФГ.

При коррекциив области ИФГ выражение следующее:  I ( x )  x I КОР ( x ) = Re  H x ) ⋅ exp  −i ⋅ Φ ( x )   = rect ( cos ( 2πν 0 x ) , A( x ) 2L где H – преобразование Гильберта. При этом фурье-образом скорректированной ИФГ будет теоретический спектральный отклик (Рисунок 3.8):ILS ( v;ν 0 ) = F { I КОР ( x )} = 2 L ⋅ sinc (πν ⋅ 2 L ) .93Однако для определения и возможности коррекции АФ во всем спектральномдиапазоне необходимо провести моделирование полученных результатов.3.4.

Характеризация АФ во всем рабочем спектральном диапазонеДля моделирования АФ используются следующие исходные данные:1) диапазон изменения разности хода: 2L ;2) размеры и форма фотоприемника (поле зрения): ( a x a ) ;3) виньетирование по полю зрения: K ВИН (α , β ) ;4) ограничение на поперечную дефокусировку ФП: (50 мкм или 1 мрад);5) оценки величин ( y0 , z0 ) разъюстировки интерферометра, полученные прианализеизмененияконтрастаинтерференцииприрадиометрическойкалибровке (раздел 3.4.1);6) оценки величин( y1, z1 )разъюстировкиинтерферометра, полученные изанализа траектории взаимного перемещения триэдров в схеме «двойноймаятник» (раздел 3.4.1).Распределение чувствительности по площадке ФП SОТН ( a, b ) ввидуотсутствия таких данных от производителя на первом этапе не учитывалось:SОТН ( a, b ) = 1 .

В дальнейшем неравномерность чувствительности ФП поплощадке была оценена по результатам непосредственного измерения угловойчувствительности прибора P (α , β ) (раздел 3.4.2).3.4.1. Оценка величин параметров разъюстировки интерферометраНаличие бокового сдвига в положении нулевой разности хода, задаваемоезначениями ( y0 , z0 ) , влияет как на контраст интерференции, так и на АФ (см.Рисунки 3.15-3.18). Из Рисунка 3.15 видно, что значения y0 > 40 мкм будутприводить к очень сильному спаду эффективности для малых длин волн(5-6) мкм,значительноувеличиваяреализуемыеприборомзначения94радиометрического шума NESR(ν). Поэтому примем следующее ограничениесверху на величины ( y0 , z0 ) :y02 + z02 ≤ 40 [ мкм ] .Далее получим оценки величин( y1, z1 ).

Можно показать, что длямеханизма сканирования типа «двойной маятник», применяемого в ИКФС-2,зависимость бокового сдвига от разности хода имеет вид (пренебрегаявысокими порядками малости):θ=−++ ∆Ryx2Rxθ()2, т.е.ζ z ( x ) = − 2ζ R + x+ ∆h2 2θL=−+∆=y2RR;yθ012.ζL z0 = − 2ζ R + ∆h; z1 =2 2Здесь углы (θ , ζ ) задают разъюстировку светоделителя: θ - в плоскости,перпендикулярной оси вращения маятника; ζ - угол между СД-поверхностью иосью вращения маятника. ∆R, ∆h - исходные допуски на положение вершинтриэдров, определяемые по КД.Максимальныезначениявеличин ∆R, ∆hравны:∆R = 400[ мкм] ,∆h = 200[ мкм] . Будучи нескомпенсированными, они приведут к недопустимымзначениям y0 , z0 и резкому падению контраста интерференции.

Однакоразвернув светоделитель на (θ , ζ ) , значения y0 , z0 можно минимизировать.Определим (θ , ζ ) :∆R0.4== 1.64 [ мрад ] = 5.6',2 R 2 ⋅ 122∆h0.2ζ ( z0 = 0 ) === 1.16 [ мрад] = 4.0'.R 2 122 ⋅ 2θ ( y0 = 0 ) =При данных (θ , ζ ) получим оценки для величин y1 , z1 :y1 =1.64 ⋅ 171.16 ⋅ 17= 14[ мкм] , z1 == 7 [ мкм ] . Отсюда примем ограничение22 2сверху на величины ( y1, z1 ) :y12 + z12 ≤ 20 [ мкм ] .953.4.2. Измерение угловой чувствительностиДля характеризации формы АФ необходимо проведение измеренийфункции угловой чувствительности прибора P (α , β ) .

Схема измеренияпредставлена на Рисунке 3.24. При измерениях расстояние от объектанаблюдения (апертура модели высокотемпературного черного тела МВАЧТ) дообъектива составляло L1 ≈ 1030 см. Температура МВАЧТ ТМВАЧТ = 810°С.Температура фотоприемника ТФП = 80 К. При вычислениях интегрированиесигнала проводилось по всему рабочему спектральному диапазону прибораИКФС-2 (665-2000 см-1). На Рисунке 3.25 представлен график измеренногораспределения угловой чувствительности прибора в пределах поля зрения.Рисунок 3.24.Схема измерения угловой чувствительности прибора96Рисунок 3.25.Измеренное распределение угловой чувствительности прибора ИКФС-23.4.3. Результаты моделирования АФС учетом полученных ограничений на параметры разъюстировки( y0 , z0 , y1, z1 ) , а также с учетом измеренной функции угловой чувствительностиприбора P(α,β), была проведено моделирование результатов измерения АФ.При этом подбирались значения параметров разъюстировки интерферометра,при которых минимизировалась разница (в среднеквадратическом смысле)между измеренными и модельными огибающими и фазами ИФГ.

Результатыдля огибающих ИФГ представлены на Рисунке 3.26, а для полученных АФ – наРисунке 3.27.Рисунок 3.26.Моделирование огибающих ИФГ CO2-лазера и HeNe-лазера97Рисунок 3.27.Результаты моделирования функции спектрального отклика на излучение CO2лазера (слева) и HeNe-лазера (справа)Анализируяполученныерезультаты,следуетотметитьхорошеесовпадение модельных и измеренных графиков спектрального отклика. Тем неменее, для измерения на 5.4 мкм расхождения имеют место, и требуетсядополнительная, более тщательная коррекция.