Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 2

Разработанаметодикаопределенияаппаратнойфункциифурье-спектрометра, позволяющая на основе измерений интерферограмм входногоквазимонохроматического излучения лазерных источников определить формуспектрального отклика прибора во всем рабочем спектральном диапазоне сучетом угловой чувствительности прибора и остаточной разъюстировкиинтерферометра.Практическая ценность1. На основе результатов исследования и разработанных методик проведенакалибровка и обеспечены требуемые точностные характеристики первогоотечественногобортовогоинфракрасногофурье-спектрометраИКФС-2оперативного прогноза погоды и исследования климата в составе КА«Метеор-М» № 2.2.

Разработанныеалгоритмыпреобразованиярегистрируемыхфурье-спектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферыреализованы в программном комплексе первичной обработки данных аппаратурыИКФС-2 (ПК «IKFSPrepSuite»), входящем в состав наземного комплексапервичной обработки и распространения (НКПОР) космического комплекса«Метеор-М».3.

Результатыпроведенногоисследованияявляютсяосновойдлякалибровки модернизируемой аппаратуры ИКФС-2 (для КА «Метеор-М»№№ 2-1, 2-2, 2-3, 2-4), а также для проектирования и калибровки вновьразрабатываемого фурье-спектрометра ИКФС-3 (КА «Метеор-МП»).Апробация результатов и публикацииРезультаты проведенного исследования докладывались на международныхи российских конференциях:- «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли изкосмоса» (2009-2012 и 2014-2015 гг., ИКИ РАН, г.

Москва);- Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация идинамика» (2009 и 2015 гг., физический факультет СПбГУ, г. Санкт-Петербург);9-научно-техническаяконференция«Гиперспектральныеприборыитехнологии» Международной академии «Контенант» (2013 г., НТЦ ОАО«Красногорский завод им.

С.А. Зверева», г. Красногорск);- XIX научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов,посвященная 50-летию первого полета человека в космос (2011 г., РКК«Энергия», г. Королёв);- международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемысоздания космических систем дистанционного зондирования Земли» (2015 и2016 гг., АО «Корпорация «ВНИИЭМ», г. Москва);- EUMETSAT Meteorological Satellite Conference (2015 г., г. Тулуза,Франция);- XX International TOVS Study Conference (2015 г., Лэйк-Дженива,Висконсин, США).Основные результаты работы опубликованы в 11 работах, 7 из нихопубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, и изложены в 4 научнотехнических отчетах, выполненных в рамках НИР и ОКР, а также в эскизныхпроектахаппаратурыИКФС-3(КА«Метеор-МП»)иИКФС-ГС(КА«Электро-М»).Структура и объем диссертационной работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов изаключения, списка литературы, содержащего 70 наименований, и спискасокращений и условных обозначений.

Диссертация изложена на 143 страницах,содержит 83 рисунка и 10 таблиц.Основные положения, выносимые на защиту1. Разработаннаяметодиканаземнойрадиометрическойкалибровкибортового инфракрасного фурье-спектрометра ТВЗА позволяет определитьнелинейностьфотоприемникаивыполнитькоррекциюнелинейностивизмеряемых прибором интерферограммах, а также определить СПЭЯ бортовогочерного тела в условиях, максимально приближенных к орбитальным.102. Разработанная методика спектральной привязки измерений фурьеспектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел по положению спектральных линийпозволяет отрабатывать колебания длины волны лазера референтного канала завиток и в долгосрочном периоде.

Предложенный в методике оригинальныйспособ вычисления опорного спектра на основе метода главных компонентпозволяет обеспечить автономность процедуры спектральной привязки (безиспользования внешних данных) и её реализацию на этапе первичной обработки.3. Разработанная методика определения аппаратной функции фурьеспектрометранаосновеизмеренийинтерферограммвходногоквазимонохроматического излучения лазерных источников позволяет рассчитатьспектральный отклик прибора во всем рабочем спектрального диапазоне.Предложенная модель аппаратной функции фурье-спектрометра позволяетучитывать диапазон изменения ОРХ, размер и положение чувствительнойплощадки фотоприемника, неравномерность чувствительности по площадке,виньетирование, дефокусировку, а также взаимный наклон и поперечный сдвигинтерферирующих пучков.4.

На основе разработанных методик проведена калибровка первогоотечественногообеспеченыбортовоговысокиеинфракрасноготочностныефурье-спектрометрахарактеристикиприбора:ИКФС-2ипогрешностьрадиометрической калибровки не более 0.3 К, погрешность спектральнойпривязки не более 3∙10-6, погрешность определения аппаратной функции не более3%. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям, предъявляемым каппаратуре данного класса, и подтверждаются сопоставлением с данныминезависимых спутниковых измерений.11ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К БОРТОВОЙ ИНФРАКРАСНОЙГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ ТЕМПЕРАТУРНОВЛАЖНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ1.1.

Задача температурно-влажностного зондирования атмосферы Землииз космосаПолучение данных температурно-влажностного зондирования атмосферыЗемли(ТВЗА)из космосаявляетсяклассическойзадачейспутниковойметеорологии. В работах [King, 1956; Kaplan, 1959] была впервые показанавозможность получения детальной информации о состоянии атмосферы, включаявертикальное распределение температуры и водяного пара, на основанииспектральных вариаций теплового излучения, регистрируемого спутниковойаппаратурой.Принцип получения информации о вертикальном профиле температуры поизмерениям спектра инфракрасного (ИК) излучения атмосферы в полосахпоглощения CO2 основан на том факте, что углекислый газ равномерноперемешан до высот порядка 80-100 км (на настоящий момент отношение смесиCO2 составляет величину примерно 400 миллионных долей).

На Рисунке 1.1показано, что в центре полосы CO2 вблизи 15 мкм (667 см-1), где поглощениевелико, измеряемые спектральные данные содержат информацию о температуреверхних слоев атмосферы. И, наоборот, на краю полосы CO2, вблизи окнапрозрачности атмосферы (~770 см-1), содержится информация о температуреприземных слоев. Аналогичным образом, измерение спектров в полосепоглощения водяного пара позволяет восстанавливать вертикальные профиливлажности. Первые эксперименты в этой области и начальные этапы развитиядистанционных методов ТВЗА отражены в монографиях [Кондратьев, 1970;Кондратьев, 1978]. Подробный анализ современного состояния, проблем иперспективразвитияданногонаправленияспутниковогопредставлен в работах [Успенский, 2005; Успенский, 2010].зондирования12Рисунок.

1.1.Формирование спектров исходящего излучения атмосферыв полосе поглощения CO2 (645-770 см-1) на различных высотных уровнях:слева – пример регистрируемого спектра (прибор AIRS), справа – графиквертикального профиля температуры, соответствующего данному измерениюНа сегодняшний день спутниковое зондирование параметров атмосферыИК-аппаратурой высокого спектрального разрешения играет большую роль воперативной метеорологии и климатологии, обеспечивая получение следующихвидов информации:− профили температуры с погрешностью до 1 К в тропосфере и нижнейстратосфере и вертикальным разрешением до 1 км в нижней тропосфере;− профили влажности в тропосфере с погрешностью до 10% (в терминахотносительной влажности) и вертикальным разрешением до 1-2 км, а такжеобщее содержание водяного пара;− общее содержание озона с погрешностью не хуже 5% и вертикальныепрофили содержания О3 в озоновом слое с погрешностью 10% (в двух илитрех слоях атмосферы);− температура поверхности океанов с погрешностью 0.5 К;− температура поверхности суши с погрешностью 1 К и ее излучательнаяспособность;13− балльность облачности,− спектральная излучательная способность облаков в ИК-диапазоне;− давление и температура на верхней границе облаков,− общее содержание малых газовых составляющих: CO, CH4, NO и N2O;− уходящее длинноволновое излучение и радиационный форсинг облаков;− интенсивность осадков.Прежде чем перейти к анализу требований к точностным характеристикамбортовой инфракрасной гиперспектральной аппаратуры ТВЗА (параграф 1.2),кратко остановимся на процессе переноса излучения в атмосфере и спецификерешения обратной задачи ТВЗА.Вобщемслучаедифференциальноеуравнениепереносамонохроматического излучения в атмосфере с учетом процессов поглощения,рассеяния и излучения имеет вид [Козинцев, 2002]:∂L(r , n)σ (r )= κ (r ) B (T (r ) ) − (κ (r ) + σ (r ) ) L (r , n ) +L (r , n ') χ (r , n, n ')d Ω .

(1.1)∂l4π Ω∫Здесь L(r,n) - яркость излучения в точке r в направлении n; κ(r) - показательпоглощения среды в точке r; σ(r) - показатель рассеяния среды в точке r; B ( T ) спектральная яркость (СПЭЯ) абсолютно черного тела; χ(r,n,n’) - индикатрисарассеяния излучения в точке r в направлении n для направления распространенияпадающего излучения n’. При этом первое слагаемое здесь учитывает увеличениеяркости за счет собственного излучения среды, второе – уменьшение яркостивследствие поглощения и рассеяния, третье – увеличение яркости вследствиерассеяния в направлении n излучения, проходящего через элементарный объемсреды по всем возможным направлениям n’.Для среднего и дальнего ИК-диапазонов длин волн (от 2,5 мкм) вотсутствие облаков, тумана и крупных аэрозольных частиц процессами рассеянияизлучения в первом приближении можно пренебречь (σ ≈ 0).