Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 5

Поворот зеркала сканераосуществляется шаговым двигателем по командам, вырабатываемым МЭ. Дляобеспечениятребованияравномерностишагапространственнойсеткииспользуется редуктор. Ширина полосы обзора (от 1000 до 2500 км) и шагпространственной сетки (от 60 до 110 км) могут изменяться путем подачифункциональной команды с Земли.В состав МС входит бортовой модуль калибровки (БМК), представляющийсобой компактную модель черного тела. Ввиду наличия ограничений погабаритам черное тело не может быть реализовано по традиционной полостнойсхеме, поэтому БМК выполняется в виде набора концентрических колец суглублениями конусообразного профиля.

Расчетная степень черноты излучателясоставляет не менее 0.98, при этом рабочая температура БМК выбрана равной40ºС.Модульинтерферометра(МИ)предназначендляформированияинтерферограммы входного излучения, представляющей собой зависимостьрегистрируемого фотоприемниками сигнала от оптической разности хода.

МИпостроен по схеме Майкельсона с уголковыми отражателями (УО) вместоплоскихзеркал.ИспользованиеУОзначительнооблегчаеттребования,предъявляемые к точности перемещения зеркал, и, кроме того, позволяетприменить механизм сканирования по разности хода «двойной маятник». Вданной схеме одновременный поворот двух УО учетверяет значение оптическойразности хода (относительно механического смещения). Светоделитель икомпенсатор выполнены из селенида цинка, который, в отличие от материаловKBr и KCl, не является гигроскопичным.32Для формирования опросных импульсов, по которым производитсяоцифровка интерферограммы, а также для управления и стабилизации скоростиизмененияразностиходамеждуветвямиинтерферометраиспользуетсяреферентный канал. Излучение лазера референтного канала (λреф = 1.31 мкм)вводится в интерферометр через оптическое волокно и коллиматор и проходит вкраевых зонах светоделительной и компенсаторной пластин.Трехлинзовый объектив с фокусным расстоянием 50 мм и относительнымотверстием 1:1 фокусирует излучение на фотоприемник, расположенный в РХ.РХ,построенныйподвухступенчатойсхеме,предназначендлязахолаживания ФП при эксплуатации прибора на орбите до температуры (8082) К.

В качестве приемника ИК излучения применяется фотосопротивление изматериала HgCdTe (кадмий-ртуть-теллур, КРТ). Фотоприемное устройствосостоит из двух блоков: фотоприемника и предусилителя (ПУ), соединенныхэкранированным кабелем, при этом ПУ находится при нормальной температуре(примерно +15 ºС).Модуль электроники (МЭ) предназначен для управления работой прибора,предварительной обработки получаемых прибором данных и формированияпакетов научной и служебной информации. МЭ состоит из блока вторичныхисточников питания, блока управления двигателями сканера и маятника, блокапредварительнойобработкииуправления,блокауправлениясистемойтерморегулирования и блока функциональных команд, принимаемых с Земли.1.3.2. Сравнение характеристик бортовых инфракрасныхфурье-спектрометров ТВЗАВ Таблице 5 представлены сравнительные характеристики отечественных изарубежных фурье-спектрометров ТВЗА.

Европейский и американский приборыIASI и CrIS обладают близкой информативностью и, в целом, удовлетворяют всемтребованиям ВМО, представленным в п.1.2, Таблица 1. Отечественный приборИКФС-2 несколько уступает зарубежным аналогам в части мгновенного полязрения и плотности покрытия земной поверхности, однако при этом благодаря33относительной простоте конструкции имеет существенно меньшие массу игабариты, а также стоимость разработки и изготовления.Таблица 5.Сравнительные характеристики фурье-спектрометров ТВЗАПлатформа,год запускаСпектральныйдиапазонМаксимал. ОРХ, Lномин.

спектр.разрешение (1/2L)Поле зренияМгнов. поле зренияПолоса обзора,шаг сетки в надиреРадиометр. шумNESR, мВт∙см/ср/м2NEdT @ 280 KПогрешность рад.калибровкиПогрешностьспектр. привязкиМассаЭнергопотреблениеИнформативностьDвх.зр.Время съема ИФГИКФС-2Метеор-М22014г.5.0-15.0 мкм667-2000см-11.7 см0.3 см-1IASICrISMetOp-A(B)Suomi-NPP 2011г.2006г. (2012г.)650-1095 см-1LW: 8.26-15.5μMW: 5.0-8.26μ1210-1750 см-1SW: 3.62-5.0μ2155-2550 см-1(645 – 2760 см-1)2 см0.8 см0.25 см-10.625 см-135х35 км235х35 км21000-2500км60-110 км0.45 @ 15 мкм0.15 @ 13 мкм0.35 @ 6 мкм0.5 К48х48 км2Ø 12 км2200 км24 кмLW: 0.2-0.3 KMW: 0.2-0.5 KSW: 0.5-2.0 К0.5 К48х48 км2Ø 14 км2200 км16 кмLW: 0.25-0.4 KMW: 0.2-0.3 KSW: 0.2 K0.5 K2∙10-6< 1∙10-63∙10-650 кг50 Вт600 кбит/с50 мм0.5 с236 кг210 Вт1.5 Мбит/с80 мм0.15 с165 кг123 Вт1.5 Мбит/с80 мм0.16 с1.4.

Постановка задачи калибровки бортового инфракрасногофурье-спектрометра ТВЗАКалибровкафурье-спектрорадиометракакизмерительногоприбораявляется ключевым этапом его создания и непосредственно связана собеспечением точностных требований, предъявляемых к измеряемым спектрам.34В соответствии с терминологией, принятой для данных аппаратуры ДЗЗ изкосмоса [Liping, 2000], для фурье-спектрометра ТВЗА выделяют следующиеуровни обработки данных (Рисунок 1.12):- уровень 0: исходные измеренные интерферограммы, включая соответствующуютелеметрию и данные координатно-временного обеспечения;- уровень 1: калиброванные спектры излучения атмосферы, обеспеченныекоординатно-временной привязкой и параметрами качества;- уровень 2: данные, полученные в результате тематической обработкиизмеренных спектров излучения атмосферы, а именно: вертикальные профилитемпературы, влажности, общее содержание озона и др.Рисунок 1.12.Уровни обработки данных фурье-спектрометра ТВЗАКак видно из Рисунка 1.12, задачей калибровки является преобразованиеизмеряемых фурье-спектрометром интерферограмм в калиброванные спектрыизлучения атмосферы с требуемой точностью.

Калибровка фурье-спектрометраТВЗА включает в себя следующие задачи:- радиометрическая калибровка (приведение оси ординат «y» измеряемыхспектров к шкале измеряемой физической величины с требуемой точностью);- спектральная калибровка (приведение оси абсцисс «x» измеряемых спектров кшкале волновых чисел (длин волн) с требуемой точностью, а также определениеаппаратной функции прибора);- геометрическая (координатно-временная привязка).Основными задачами радиометрической калибровки являются:- определение спектральной чувствительности и собственного излучения прибора35на основе измерений опорных источников;-характеризациянелинейностиФПУдляпроведениясоответствующейкоррекции при обработке;- определение СПЭЯ излучения бортового черного тела;- определение калибровочных коэффициентов, учитывающих зависимостьрегистрируемого сигнала от угла поворота зеркала сканера вследствиеполяризации отраженного от зеркала излучения.В свою очередь, задачами спектральной калибровки являются:- обеспечение спектральной привязки измеряемых спектров;- характеризация аппаратной функции во всем рабочем спектральном диапазоне сцелью её коррекции или учета при проведении тематической обработки.Калибровка бортового фурье-спектрометра включает проведение наземныхкалибровочныхиспытанийвусловиях,максимальноприближенныхкорбитальным, а также уточнение полученных результатов калибровки в ходелетных испытаний и штатной эксплуатации на орбите на основе сопоставлений снезависимыми спутниковыми измерениями.На основе методик калибровки прибора осуществляется разработкаалгоритмовипрограммногообеспеченияобработкиипреобразованияизмеряемых прибором интерферограмм в калиброванные спектры излученияатмосферы.

Соответствующие процедуры и алгоритмы применительно каппаратуре IASI и CrIS представлены в работах [Blumstein, 2003; Lantagne, 2011].Следует отметить, что существующие методики калибровки, применяемые,для зарубежных приборов-аналогов, не являются универсальными, являютсяспецифичными для каждого конкретного прибора (поскольку в значительнойстепени ориентированы на аппаратную реализацию) и, в частности, не могут бытьприменены для калибровки аппаратуры ИКФС-2.36Выводы к главе 1:1. Специфика решения обратной задачи переноса излучения в атмосфереЗемлисвязанассильнойчувствительностьювосстанавливаемыхметеорологических параметров к погрешностям в спектральных измерениях.В связи с этим задача восстановления метеопараметров (вертикальных профилейтемпературы, влажности, озона) на основе измерения исходящего тепловогоизлучения системы «поверхность-атмосфера» может быть решена только приобеспечении высоких точностных требований к измеряемым спектральнымданным.2.