Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 13

С другой стороны, важноподчеркнуть, что при использовании функции аподизации расхождения вмодельном и измеренном спектральных откликах будут значительно менеесущественными.Тем не менее, полученная модель спектрального отклика позволяетрассчитатьспектральныйоткликприборапринаблюдениимонохроматического объекта с произвольным волновым числом. Например, наРисунке 3.28 представлены результаты моделирования спектрального откликадля границ рабочего спектрального диапазона 667 см-1 (15 мкм) и 2000 см-1(5 мкм).На основе результатов проведенного моделирования АФ была составленаматрица самоаподизации, используемая в программном комплексе первичнойобработки данных ИКФС-2 для коррекции особенностей формы АФ иприведения её к стандартному виду во всем рабочем спектральном диапазоне,определяемому заданной пользователем функцией аподизации.98Рисунок 3.28.Результаты расчета спектрального отклика прибора на монохроматическоеизлучение 667 см-1 (15 мкм) и 2000 см-1 (5 мкм)Выводы к главе 3:1.

Разработана двухэтапная методика спектральной привязки измеряемыхспектров атмосферы к шкале волновых чисел, на первом этапе реализующаякоррекцию температурного ухода длины волны лазера референтного канала, ана втором – точную привязку измерений по полосе CO2 (720-740) см-1 путемнахождения минимума оценочной функции, чувствительной к спектральномусдвигу между анализируемым и опорным спектрами.2. Исследованы факторы, определяющие аппаратную функцию (АФ)фурье-спектрометра, включая диапазон изменения оптической разности хода винтерферограмме,чувствительностьприменяемуюприбора,функциюостаточнуюаподизации,разъюстировкуугловуюинтерферометра.Представлены соответствующие аналитические зависимости.3. Для интерферометра со схемой изменения оптической разности ходатипа «двойной маятник» получены выражения для поперечного сдвигаинтерферирующихпучков,возникающегоприналичииразъюстировкисветоделителя и погрешности установки вершин уголковых отражателей.4.

РазработанаметодикаизмеренияАФфурье-спектрометрасиспользованием лазерного источника квазимонохроматического излучения,интегрирующей сферы (или плоской мишени) и сопрягающей оптики.Проведены измерения спектрального отклика фурье-спектрометра ИКФС-2 на99входное квазимонохроматическое излучение CO2-лазера (10.3 мкм) и HeNeлазера (5.4 мкм), на основе которых проведена характеризация АФ прибораИКФС-2 во всем рабочем спектральном диапазоне (5-15) мкм.100ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА ИКФС-2, ПОЛУЧЕННЫХ В ХОДЕ ЛЁТНЫХИСПЫТАНИЙ КА «МЕТЕОР-М» № 2, С ДАННЫМИ НЕЗАВИСИМЫХСПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙРезультатымаксимальноназемнойвозможномкалибровкиприближениибортовойусловийаппаратурыназемныхдажеприиспытанийкорбитальным должны быть проверены (подтверждены) в реальных условияхэксплуатации.

Только на основе анализа реальных спектров атмосферы,измеряемых прибором, можно сделать вывод о пригодности аппаратуры ТВЗАдля решения целевой задачи - восстановления метеопараметров атмосферы поизмеренным спектрам излучения.Внастоящейглавеприведенанализсостоянияспектральнойирадиометрической калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2 в составе КА«Метеор-М» № 2, выполненной с использованием внешних независимыхспутниковых измерений, а также кратко представлены результаты тематическойобработки измеренных спектров атмосферы, демонстрирующие пригодностьаппаратуры ИКФС-2 к решению целевых задач метеорологического обеспечения.4.1.

Анализ состояния спектральной привязки измерений ИКФС-2Как было указано в параграфе 3.1, для обеспечения высокоточнойспектральной привязки измерений ИКФС-2 (на уровне Δν/ν < 2∙10-6, т.е. 2 ppm)требуется точное знание длины волны излучения лазера референтного канала (см.выражение (3.2)). При этом известно, что длина волны лазера (λреф ≈ 1310.2 нм),во-первых, зависит от температуры лазерного модуля, а во-вторых, может иметьвременной уход (дрейф) из-за различных эффектов, например, старения.Температурная зависимость была исследована на этапе наземных испытаний иявляется линейной (Рисунок 3.4), при этом коэффициент Δλреф/ΔT составил0.08 нм/К, что с точки зрения спектральной привязки соответствует величине10161 ppm/К.

Таким образом, для обеспечения требования к точности спектральнойпривязки Δν/ν, равного 2∙10-6 (2 ppm), требуется отрабатывать колебаниятемпературы лазерного излучателя на уровне сотых долей градуса.Первоначальнаяметодикаспектральнойпривязкизаключаласьвследующем:1) температурная зависимость λреф(Т) учитывалась в программном комплексепервичной обработки данных ИКФС-2 при получении калиброванных спектроватмосферы; при этом из-за отсутствия датчика температуры лазера колебаниятемпературы лазерного излучателя отождествлялись с колебаниями температурыоснованиямодуляинтерферометра(датчикТМИ1,расположенныйвнепосредственной близости от лазерного модуля);2) коррекция долгосрочного временного ухода λреф(t) осуществлялась путемсравненияусредненногозаполусуточныйфайлспектраатмосферысаналогичным опорным (привязанным по внешним данным) в диапазоне(722-740) см-1.

Поскольку полусуточный файл охватывает несколько витков (от 6до 8) и включает от 55 до 75 тысяч спектров, соответствующих самым разнымсостояниям атмосферам, то усредненный по всему файлу спектр мало отличаетсяот файла к файлу как по радиометрическому уровню, так и по спектральным«особенностям» (Рисунок 4.1).Примечание (*). В качестве опорных внешних данных использовались данныеаэрологического радиозондирования, на основании которых выполнялся прямойрасчет спектров исходящего излучения атмосферы с учетом спектральной сетки иразрешения ИКФС-2.102Рисунок 4.1.Усредненные по полусуточным файлам спектры атмосферы: вверху –длинноволновый диапазон (660-1210) см-1, внизу – поддиапазон (722-740) см-1, покоторому осуществляется спектральная привязкаПри проведении коррекции текущий и опорный (привязанный по внешнимданным) усредненные спектры в диапазоне (722-740) см-1 пересчитывались насетку с малым шагом δν (порядка 0.001 см-1) с использованием интерполяционнойформулы Котельникова, после чего смещались друг относительно друга «влевовправо» на несколько отсчетов, и для каждого из положений вычисляласьоценочная функция вида (3.3,а), по положению минимума которой согласно (3.4)определялись текущие значения спектральной привязки и длины волны лазера103референтного канала.

Если полученное значение Δν/ν превышало величину(1-2) ppm, то спектры пересчитывались для новой длиной волны лазера λ’реф. Вцелом, данная методика хорошо зарекомендовала себя, особенно в условияхотсутствия колебаний температуры модуля интерферометра (Рисунок 4.2).Рисунок 4.2.Показания датчика температуры ТМИ1 основания модуля интерферометра (слева) ианализ спектральной привязки ИКФС-2 по синхронным измерениям IASI (справа)за полусуточный файл 5-6 февраля (витки 3012-3020); видно, что при стабильномподдержании ТМИ1 погрешность спектральной привязки не превышает 2 ppmОднако в условиях штатной работы прибора на орбите также имели местоситуации, когда колебания температуры модуля интерферометра за витокдостигали 0.25 К (Рисунок 4.3).

Для таких случаев результаты сопоставления свнешними данными (измерениями IASI) показали наличие погрешностиспектральнойкалибровкиразмахом до15 ppm,проявляющейсяввиде«всплесков» в спектральных линиях (Рисунок 4.4), существенно превышающихуровень радиометрического шума.Примечание.ПогрешностьспектральнойкалибровкиИКФС-2,представленная на Рисунке 4.4, складывается из различных факторов, включая нетолько погрешность спектральной привязки, но и погрешность формы АФ и др.104Рисунок 4.3.Показания датчика температуры ТМИ1 основания модуля интерферометра (слева)и анализ спектральной привязки ИКФС-2 по синхронным измерениям IASI(справа) за полусуточный файл 22-23 июля (витки 5383-5391); видно, чтосущественные периодические колебания температуры размахом до 0.25 К завиток приводят к погрешности спектральной калибровки размахом до 15 ppmТаким образом, из-за отсутствия датчика температуры непосредственнолазерного излучателя процедура коррекции температурной зависимости λреф(Т) неработала должным образом.

В связи с этим возникает необходимость проведениякоррекции зависимости λреф(Т) косвенным методом, т.е. по измеряемым спектрам.При этом оценку длины волны лазера референтного канала необходимопроводить, по крайней мере, несколько раз за виток (период витка ≈100 минут),например, для каждого цикла измерений атмосферы между калибровками. Времятакого цикла при полосе обзора 1000 км и измерении 60 полос обзора составляет≈10 минут. Таким образом, переопределение длины волны лазера в этом случаепроисходит 10 раз за виток.

При этом необходимо, чтобы такая процедура былаавтономной, т.е. не использовала какие-либо внешние синхронные данные.105Рисунок 4.4.Сопоставления совмещенных измерений ИКФС и IASI над водной поверхностью(22-23 июля 2015 г., витки 5383-5391), демонстрирующих наличие погрешностиспектральной калибровки, проявляющейся на графике в виде «всплесков» вположениях спектральных линий (проведены А.В. Поляковым, СПбГУ)106Как было указано в параграфе 3.1, проблема обеспечения точнойспектральной привязки по измеряемым спектрам заключается в том, чтоположения спектральных линий (признаков, особенностей) в измеряемыхспектрах в диапазоне (722-740) см-1 различаются для разных типов атмосферы(тропики, средние широты, приполярные районы).