Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 16

Приэтомиспользовалсяследующийкритерийравнояркостисцены:среднеквадратическое отклонение СПЭЯ в окне прозрачности атмосферы вблизи900 см-1, вычисленное по спектрам 4 субпикселей IASI, не должно превышать 1 %от значения СПЭЯ в этом спектральном поддиапазоне:σ IASI (11 мкм)LIASI (11 мкм)< 0.01 .(4.6)Из Рисунка 4.18 видно, что после фильтрации спектров по критериюравнояркости сцены более 90 % измерений имеет значение ΔT не более 0.5 К (помодулю).На Рисунке 4.19 показаны графики спектров ИКФС-2 и IASI и их разности втерминах СПЭЯ, усредненные по всем совмещенным измерениям для равнояркойсцены.

Видно, что спектры ИКФС-2 и IASI практически совпадают, разность непревышаетвсреднем0.3 мВт/(м2∙ср∙см-1).0.1мВт/(м2∙ср∙см-1),авотдельныхлиниях126Рисунок 4.19.Графики спектров ИКФС-2 и IASI и их разности в терминах СПЭЯ, усредненныепо всем совмещенным измерениям для равнояркой сценыНа Рисунке 4.20 показаны результаты сопоставления измерений ИКФС-2 иIASI для разных диапазонов температуры сцены. Видно, что имеет местонезначительная зависимость погрешности радиометрической калибровки оттемпературысцены,нелинейностью ФПУ.обусловленнаяостаточной(нескорректированной)127T = 274…300 КT = 274…300 КT = 250…274 КT = 250…274 КT = 220…250 КT = 220…250 КРисунок 4.20.Сравнение средних спектров ИКФС и IASI для разных диапазонов температурсцены в окне прозрачности атмосферы; слева – в терминах СПЭЯ, справа, втерминах яркостных температур; синий и зеленый цвета – спектры IASI и ИКФС(совпадают, шкала ординат расположена слева на графиках), красный цвет –разность (шкала ординат для разности расположена справа на графиках)1284.4.

Результаты восстановления параметров и состояния атмосферы поданным ИКФС-2Работы по тематической обработке измеряемых прибором ИКФС-2спектров атмосферы проводилась ФГБУ НИЦ «Планета» (А.Б. Успенский, А.Н.Рублев) при участии кафедры атмосферной оптики СПбГУ (Ю.М. Тимофеев, А.В.Поляков). Ниже представлены предварительные результаты, полученные повосстановлению вертикальных профилей температуры, водяного пара, общегосодержания озона.На Рисунке 4.21 представлено сопоставление результатов восстановленияпрофилей температуры по данным ИКФС-2 с данными NCEP GFS, выполненныеметодом искусственной нейронной сети (ИНС) и методом оптимальной оценки(ОО).

Первый из них относится к статистическим методам, второй – кфизическим. Видно, что оба метода дают примерно одинаковый результат,демонстрирующий погрешность в (1-2) К.Рисунок 4.21.Сопоставление результатов восстановления профилей температуры по даннымИКФС-2 с данными NCEP GFS; слева – средняя разность, справа –среднеквадратическая разность; 20-22 августа 2015 г., водная поверхность,широты -60…+60°, безоблачная атмосфера129На Рисунке 4.22 представлено аналогичные графики по сопоставлениюрезультатов восстановления профилей влажности по данным ИКФС-2 с даннымиNCEP GFS. Полученная погрешность определения профиля водяного пара всреднем составила порядка 15%.Рисунок 4.22.Сопоставление результатов восстановления профилей влажности по даннымИКФС-2 с данными NCEP GFS; слева – средняя разность, справа –среднеквадратическая разность; 20-22 августа 2015 г., водная поверхность,широты -60…60°, безоблачная атмосфераНаконец,наРисунке4.23приведеносопоставлениерезультатовопределения общего содержания озона по данным ИКФС-2 с данными OMI.130Рисунок 4.21.Сопоставление результатов определения общего содержания озона по даннымИКФС-2 (вверху) с данными OMI (внизу)Представленные на Рисунках 4.21-4.23 результаты свидетельствуют одостоверности разработанных методик и результатов калибровки фурьеспектрометра ИКФС-2 и пригодности использования измерений приборарешения целевых задач метеорологического обеспечения.для131Выводы к главе 4:В результате проведенных в рамках летных испытаний аппаратуры ИКФС-2исследований и сопоставлений с данными независимых спутниковых измеренийполучено:1.

Разработанная методика спектральной привязки данных ИКФС-2,основанная на сопоставлении измеряемого спектра атмосферы с опорным,определяемым с помощью метода главных компонент, обеспечивает точностьспектральной привязки с погрешностью не более 2∙10-6 (2 ppm);2. По результатам сопоставления измерений ИКФС-2 с совмещеннымиизмерениями радиометра SEVIRI и фурье-спектрометра IASI получено, чтопогрешность радиометрической калибровки ИКФС-2 находится в пределах(0.1-0.5) К для различных типов сцены и в широком спектральном диапазоне, чтосвидетельствует о корректном учете нелинейности фотоприемника.3.

При сопоставлении с измерениями фурье-спектрометра IASI проявляетсяостаточная погрешность определения аппаратной функции ИКФС-2, наблюдаемаяв виде отдельных «всплесков» на графиках разностных спектров (Рисунок 4.9).4. Состояние калибровки прибора ИКФС-2 является стабильным вовремени.5. Приведенные результаты тематической обработки и восстановлениявертикальных профилей температуры и влажности, а также общего содержанияозона, свидетельствуют о пригодности использования измерений ИКФС-2 длярешения целевых задач метеорологического обеспечения.132ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате проведенного исследования решена актуальная и значимая дляпрактики научно-техническая задача обеспечения точностных характеристикбортового инфракрасного фурье-спектрометра для спутникового температурновлажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) Земли.Основные научные и практические результаты диссертации следующие:1. На основе результатов исследования и разработанных методик проведенакалибровкапервогоотечественногобортовогоинфракрасногофурье-спектрометра ИКФС-2, предназначенного для оперативного прогноза погоды иисследования климата в составе космического аппарата (КА) «Метеор-М» № 2.Обеспечены требуемые точностные характеристики прибора, подтверждаемыесопоставлением с данными независимых спутниковых измерений.

Приведенныерезультаты тематической обработки и восстановления вертикальных профилейтемпературы и влажности, а также общего содержания озона, свидетельствуют опригодности использования измерений аппаратуры ИКФС-2 для решенияцелевых задач метеорологического обеспечения.2. Проведен анализ требований к точностным характеристикам бортовойаппаратуры ТВЗА высокого спектрального разрешения: радиометрическомушуму, погрешности привязки к абсолютной энергетической шкале, погрешностиспектральной привязки и погрешности определения аппаратной функции.Исследованы основные источники случайных и систематических погрешностейизмерений бортовых инфракрасных фурье-спектрометров.3.

Впервые в отечественной практике проведена наземная радиометрическаякалибровка бортового инфракрасного фурье-спектрометра (аппаратура ИКФС-2)в криогенно-вакуумной камере в условиях, максимально приближенных корбитальным. В результате определения СПЭЯ бортового черного тела икоррекции нелинейности фотоприемника (фоторезистор на основе HgCdTe)остаточная погрешность измерения прибором ИКФС-2 яркостной температурыобъекта составила не более 0.3 К.1334. Разработана модифицированная методика коррекции нелинейностифотоприемника, учитывающая частотные характеристики электронного тракта,постоянную составляющую сигнала интерферограммы, оцениваемую с учетомконтраста интерференции, и минимизирующая регистрируемый фотоприемникомсигнал в спектральной области нечувствительности прибора (λ > 17 мкм).5.

Разработана методика спектральной привязки измерений фурьеспектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел непосредственно по измеряемымспектрам. Обоснованы выбор спектрального поддиапазона в полосе поглощенияСО2 и выбор оценочной функции, чувствительной к спектральному сдвигу.Предложенный оригинальный способ вычисления опорного спектра на основеметода главных компонент позволяет обеспечить автономность процедурыспектральной привязки (без использования внешних данных) и её реализациюсразу на этапе первичной обработки. Применение разработанной методикипозволилообеспечитьспектральнуюпривязкуизмеренийИКФС-2спогрешностью не более (2-3)∙10-6, что соответствует требованиям, предъявляемымк аппаратуре данного класса.6.

Разработана методика определения аппаратной функции фурьеспектрометра, позволяющая на основе измерений интерферограмм входногоквазимонохроматическогоизлучениялазерныхисточниковрассчитатьспектральный отклик прибора во всем рабочем спектральном диапазоне с учетомугловой чувствительности прибора и остаточной разъюстировки интерферометра.Для схемы изменения оптической разности хода типа «двойной маятник»получены выражения для поперечного сдвига интерферирующих пучков,возникающего при наличии разъюстировки светоделителя и погрешностиустановки вершин уголковых отражателей.7.Разработанныеалгоритмыпреобразованияинтерферограммвкалиброванные спектры излучения атмосферы реализованы в программномкомплексепервичнойобработкиданныхаппаратурыИКФС-2(ПК«IKFSPrepSuite»), входящем в состав наземного комплекса первичной обработкии распространения информации космического комплекса «Метеор-М».1348.

Разработанные методики и алгоритмы будут использованы длякалибровки модернизируемой аппаратуры ИКФС-2 (для КА «Метеор-М»№№ 2-1, 2-2, 2-3, 2-4) и вновь разрабатываемого фурье-спектрометра ИКФС-3(КА «Метеор-МП»).Задачи диссертационной работы, сформулированные во введении, решены,цель диссертационной работы достигнута.135СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Белл Р. Дж. Введение в фурье-спектроскопию. М.: Мир, 1975. 380 с.2. Вагин В.А., Гершун М.А., Жижин Г.Н. Светосильные спектральныеприборы.

Под ред. К.И. Тарасова. М.: Наука, 1988. 362 с.3. Бортовыеинфракрасныефурье-спектрометрыдлятемпературно-влажностного зондирования атмосферы Земли. / Ю.М. Головин [и др.] //Исследование Земли из космоса. 2013. № 6. С. 25-37.4.

ГрадуировкатехнологическогообразцаприбораИКФС-2:Научно-технический отчет по теме «Метеор-М – ИКФС-2» / ГНЦ ФГУП «ЦентрКелдыша». Научный руководитель темы Ф.С. Завелевич. Инв. № 8-20/61.2009. 82 с.5. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988. 527 с.6. Калибровка бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2. /А.В. Десятов[идр.]//Современныепроблемыдистанционногозондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7.