Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 4

На Рисунке 1.7 представлен график остаточной погрешностиназемной радиометрической калибровки для аппаратуры IASI в диапазонетемпературчерноготела(220-300) К.Подробнееанализпогрешностирадиометрической калибровки фурье-спектрометра представлен в параграфе 2.2.Рисунок 1.7.Остаточная погрешность наземной радиометрической калибровки аппаратурыIASI для диапазона температур черного тела (220-300 К)1.2.3. Погрешность спектральной привязки к шкале волновых чиселДля фурье-спектрометра спектральная привязка измерений к шкалеволновых чисел определяется с учетом шага дискретизации ИФГ δx по ОРХ.Сетка спектральных отсчетов, полученных в результате фурье-преобразования24дискретной ИФГ, определяется выражением:νi =ii= ⋅ν S , i = 0...N − 1 .N ⋅δ x NВследствие этого погрешность знания частоты дискретизации ИФГ δvS будетприводить к погрешности положения спектральных отсчетов vi на оси волновыхчисел.

Поскольку частота дискретизации νS играет роль масштабирующегомножителя, фактическая сетка спектральных отсчетов при наличии δvS будетлибо растянута, либо сжата, и сдвиг положения центра линии будетувеличиваться пропорционально росту волнового числа линии. В связи с этимтребование к точности спектральной привязки фурье-спектрометра принятозадавать в относительных единицах δν/ν.Погрешность положения спектральных отсчетов на шкале волновых чиселможно рассматривать как дополнительный источник радиометрической ошибки.Оценим влияние погрешности спектральной привязки, определив её вклад врадиометрическую погрешность. Для этого воспользуемся прямыми расчетамиисходящего спектрального излучения, выполненными для стандартных моделейатмосферы (Рисунок 1.8).

При этом, не нарушая общности, примем формуаппаратной функции гауссовой с полушириной 0.5 см-1.0.14US StandartSubarctic SummerSubarctic WinterMiddle Latitudes SummerMiddle Latitudes WinterTropicСПЭЯ, [Вт/м2/ср/cм-1]0.120.10.080.060.040.020600800100012001400волновое число, [см-1]160018002000Рисунок 1.8.Расчеты исходящих спектров излучения для стандартных моделей атмосферы(гауссова аппаратная функция, Δν = 0.5 см-1)25НаРисунке1.9представленырезультатыпроведенныхрасчетоврадиометрической погрешности, вызванной неточностью спектральной привязкина уровне 2∙10-6 (вверху) и 5∙10-6 (внизу), для модели атмосферы Tropic,демонстрирующей максимальный уровень ошибки.

На основании подобногорасчета можно оценить допустимую погрешность спектральной привязки путемсопоставления с требованием к уровню радиометрического шума. Например,видно, что при δν/ν = 5∙10-6 полученные погрешности в спектральных каналахвблизи (13-15) мкм могут превышать характерные для данного поддиапазоназначения NESR прибора в (0.1-0.2) мВт/м2/ср/см-1.Рисунок 1.9.Расчет радиометрической погрешности (модель атмосферы Tropic), вызваннойпогрешностью спектральной привязки 2∙10-6 (вверху) и 5∙10-6 (внизу)(для спектрального разрешения 0.5 см-1)На практике погрешность спектральной привязки δν/ν фурье-спектрометровТВЗА, как правило, не превышает величину порядка 1% от номинальногоспектрального разрешения Δν, определяемого диапазоном изменения ОРХ. Вчастности, для прибора IASI требование δν/ν составляет 2∙10-6 (2 ppm) при26Δν = 0.25 см-1, для прибора CrIS 5∙10-6 (5 ppm) при Δν = 0.625 см-1.Причины возникновения погрешности спектральной привязки зависят отспособа выборки отсчетов ИФГ:- выборка с фиксированным шагом по времени;- выборка с фиксированным шагом по ОРХ.В первом случае основной проблемой является высокое требование постабилизации скорости изменения разности хода.

Поэтому в бортовой аппаратуре,как правило, находит применение выборка по ОРХ с использованием лазерногореферентного канала. Однако и в этом случае существует целый ряд источниковпогрешности выборки, включая:- нестабильность длины волны лазерного излучения;- несоосность оптических осей основного и референтного канала;- нестабильность скорости изменения ОРХ при несогласованных задержкахосновного и референтного канала.В п.3.1 главы 3 представлена разработанная методика спектральнойпривязки измерений фурье-спектрометра с лазерным референтным каналом.1.2.4. Погрешность определения аппаратной функцииАппаратная функция (ILS(v;ν0) – Instrument Line Shape, ISRF(v;ν0) –Instrument Spectral Response Function) – спектральный отклик прибора наидеальный монохроматический источник излучения с волновым числом ν0.

Впервом приближении форма АФ определяется диапазоном изменения ОРХ винтерферометре:ISRF (ν ;ν 0 ) = 2L ⋅ sinc (π (ν −ν 0 ) ⋅ 2L) .Однако для реального прибора АФ искажается вследствие целого ряда эффектов:размеров, положения и формы поля зрения, неравномерности чувствительностиплощадкифотоприемника,остаточнойразъюстировкиинтерферометра,флуктуаций скорости изменения ОРХ и др.

В результате форма АФ становитсяассиметричной, имеющей сдвиг в сторону коротких волновых чисел. Кроме того,АФ становится зависящей от волнового числа входного монохроматического27излучения, что уже не позволяет проводить её учет с помощью простой операциисвертки.Задача определения АФ фурье-спектрометра заключается в составлениимодели, характеризующей форму АФ во всем рабочем спектральном диапазоне,определении параметров модели на основе данных наземных измерений(например, спектрального отклика на входное квазимонохроматическое лазерноеизлучение) и параметризации/коррекции формы АФ для возможности еёэффективного учета на этапе тематической обработки. Соответствующаяразработанная методика и полученные результаты представлены в главе 3.В Таблице 3 сведены точностные требования к радиометрическим испектральным характеристикам, предъявляемые к бортовой инфракраснойгиперспектральной аппаратуре ТВЗА.Таблица 3.Точностные требования к выходным спектральным данным,измеряемым ИК-аппаратурой ТВЗАТребованиеЗначение1) уровень радиометрического шума, NEdT, К @ 280 К(0.1-0.5) К2) погрешность радиометрической калибровки, К(0.3-0.5) К(1-5)∙10-63) погрешность спектральной привязки, δν/ν4) погрешность определения аппаратной функции(1-5)%Обеспечение выполнения данных требований, непосредственно связанное спроведениемкалибровкиприбора,являетсяважнымэтапомсозданияизмерительной аппаратуры ДЗЗ из космоса.1.3.

Бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура ТВЗАкосмического базированияИз инфракрасной аппаратуры высокого спектрального разрешения, внастоящий момент функционирующей на орбите, следует отметить такиезарубежные приборы, как AIRS (Atmospheric Infrared Sounder; дифракционный28спектрометр, космический аппарат Aqua, 2002 год запуска), IASI (InfraredAtmospheric Sounding Interferometer; фурье-спектрометр, спутники MetOp-A иMetOp-B, 2006 и 2012 годы запуска) и CrIS (Cross-track Infrared Sounder; фурье-спектрометр, спутник Suomi NPP, 2011 год запуска).

В частности, данные прибораIASI, используемые совместно с данными микроволнового зондировщика серииAMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), являются одними из наиболеевостребованных в задачах численного прогнозирования погоды. Указаннаяаппаратура предназначена для функционирования на околополярной ССО (высотапорядка 815-835 км), однако в настоящий момент активно разрабатываютсяприборы и для геостационарной орбиты, позволяющие решать принципиальноновую задачу построения трехмерных карт скорости ветра.ВРоссиитакжеуделяетсябольшоевниманиеспутникамгидрометеорологического обеспечения для солнечно-синхронной (серия КА«Метеор-М»),(«Электро-Л»)геостационарнойивысокоэллиптической(«Арктика-М») орбит.

В июле 2014 года был осуществлен запуск КА«Метеор-М» № 2, имеющего в своем составе инфракрасный фурье-спектрометрИКФС-2 температурного и влажностного зондирования атмосферы. АппаратураИКФС-2 успешно прошла летные испытания и с начала 2015 года переведена врежим штатной эксплуатации.СредиразрабатываемойвнастоящиймоментперспективнойИК-аппаратуры ТВЗА следует отметить европейский фурье-спектрометр IASI-NGдля платформы Metop-SG и российский ИКФС-3 для КА «Метеор-МП».Таким образом, почти все существующие и вновь разрабатываемыеИК-зондировщики ТВЗА построены по схеме фурье-спектрометра, исключениесоставляет лишь американский дифракционный спектрометр AIRS.

И хотя обаподхода обладают своими преимуществами и недостатками, реализациягиперспектральной аппаратуры ТВЗА по схеме фурье-спектрометра на практикеоказывается более предпочтительной.291.3.1. Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2: назначение,технические характеристики, состав и функциональная схемаБортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2 входит в составспутника «Метеор-М» № 2 и предназначен для глобального оперативногомониторинга температуры и влажности в атмосфере.

Измеряемые приборомспектры служат исходными данными для решения обратной задачи ТВЗА иполучениявертикальныхпрофилейтемпературыивлажности,общегосодержания и профиля озона, температуры подстилающей поверхности,температуры и давления на верхней границе облачности, доли покрытияоблачностью, а также общего содержания МГС атмосферы (CH4, N2O и др.).На Рисунке 1.10 представлен внешний вид прибора, а в Таблице 4 – егоосновные технические характеристики [Завелевич, 2009].Рисунок 1.10.Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2В состав аппаратуры ИКФС-2 входит оптико-механический блок (ОМБ),устанавливаемый непосредственно на платформе КА, и модуль электроники(МЭ), располагаемый в гермоотсеке КА. ОМБ в своем составе имеет модульсканера (МС), модуль интерферометра (МИ) и радиационный холодильник (РХ).Функциональная схема ОМБ прибора ИКФС-2 представлена на Рисунке 1.11.30Таблица 4.Технические характеристики бортового фурье-спектрометра ИКФС-2Рабочий спектральный диапазонСпектральное разрешениеПороговая спектральная яркость, NESR[мВт∙м-2ср-1см], не болееПогрешность радиометрической калибровкиУгловой диаметр поля зрения по уровню 0.5(пространственное разрешение в надире)Полоса обзораШаг пространственной сеткиПериодичность получения интерферограммИнформативностьМасса прибораЭнергопотребление в рабочем режиме5-15 мкм (660-2000 см-1)0.5 см-16 мкм13 мкм 15 мкм0.450.150.35не более 0.5 К40 мрад(30 км)1000-2500 км60-110 км0.6 с570 кбит/c50 кг50 ВтРисунок 1.11.Функциональная схема оптико-механического блокафурье-спектрометра ИКФС-231Модуль сканера (МС) устанавливается перед входным окном МИ иобеспечиваетсканированиеполосыобзоравнаправлении,поперечномнаправлению полета КА, а также наведение на опорные источники излучения(бортовое черное тело и космос) при проведении калибровочных измерений.Зеркало сканера установлено под углом 45º к оптической оси и в режиме полногопокрытия разворачивается в диапазоне углов ±52º относительно надира дляобеспечения полосы обзора шириной 2500 км.