Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 6

Проведен анализ требований к калиброванным спектрам атмосферы,необходимых для успешного решения обратной задачи переноса излучения ватмосфере с целью восстановления метеопараметров, а именно:- уровень радиометрического шума – (0.1-0.5) мВт/(м2∙ср∙см-1) в длинноволновомИК-диапазоне спектра;- погрешность радиометрической калибровки – не более 0.5 К;- погрешность спектральной привязки – не более (1-5)·10-6;- погрешность определения аппаратной функции – не более 5%.3. Представлены технические характеристики, состав и функциональнаясхема первого отечественного бортового инфракрасного фурье-спектрометраИКФС-2 оперативного мониторинга Земли. Приведено сравнение характеристикспутниковойинфракраснойаппаратурыТВЗАвысокогоспектральногоразрешения (ИКФС-2, IASI, CrIS).4.

Калибровка инфракрасной гиперспектральной аппаратуры ТВЗА являетсяключевым этапом её создания и непосредственно связана с достижениемточностных требований, предъявляемых к измеряемым спектрам. При этомсуществующиеметодикикалибровкинеявляютсяуниверсальнымииразрабатываются применительно к конкретной аппаратуре. В связи с этимразработка методик радиометрической и спектральной калибровки являетсяважнейшей задачей при создании аппаратуры ИКФС как измерительногоприбора.37ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКБОРТОВЫХ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ2.1. Анализ источников радиометрической погрешности фурье-спектрометраКак было показано в параграфе 1.2, в требованиях к радиометрическимхарактеристикам бортовой гиперспектральной аппаратуры ТВЗА принятозадавать уровень радиометрического шума в измеряемых спектрах (случайнаясоставляющая погрешности измерений) и погрешность радиометрическойкалибровки (систематическая составляющая).Стандартнымспособомзаданиярадиометрическогошумаспектрорадиометра является определение пороговой спектральной плотностияркости NESR(v).

Можно показать [Schwantes, 2000], что для фурье-спектрометравыражение для пороговой СПЭЯ объекта наблюдения определяется выражением:NESR (ν ) =4L ⋅ σ ш.A ⋅ Ω ⋅ τ (ν ) ⋅ηсд (ν ) ⋅ µ (ν ) ⋅ S (ν ) ⋅ T(2.1)Здесь σш - спектральная плотность шума сигнала, приведенная к выходу ФП,[нВ/Гц0.5]; A – апертура оптической системы (площадь входного зрачка), [см2]; Ω –мгновенное поле зрения прибора, [ср]; L – максимальная оптическая разностьхода (ОРХ) в интерферометре, [см]; τ(ν) - спектральное пропускание оптическойсистемы; ηСД(ν) - эффективность светоделителя, μ(ν) - эффективность модуляции,учитывающая неидеальность интерферометра (взаимный наклон, сдвиг ипогрешности волновых фронтов интерферирующих пучков); S(ν) - спектральнаячувствительность ФП, [В/Вт]; T - время съема интерферограммы (ИФГ), [с].Определение пороговой СПЭЯ объекта наблюдения с использованием (2.1)является задачей светоэнергетического расчета прибора.

При этом необходимоучитывать такие источники шума, как шум детектирования, шум квантования,шум выборки, шум переналожения, а также возможное наличие внешнихэлектромагнитных помех.38Шум детектирования, как правило, является основным источником шума ивключает в себя фотонный шум, внутренние шумы ФП, шум ПУ, тепловой шумнагрузочного резистора. При использовании в качестве детектора фоторезисторавнутренние шумы включают в себя генерационно-рекомбинационный шум,тепловой шум и токовый 1/f-шум [Ишанин, 1991]. С учетом паспортных значенийобнаружительной способности D* и вольтовой чувствительности SV, шум ФП вединичной полосе частот вычисляется согласно выражению:σ ФП =SV ⋅ AФП.D*(2.2)Шум квантования возникает при оцифровке АЦП сигнала, усиленного ПУ[Bennett, 1948].

Следует отметить, что отличительной особенностью фурьеспектрометра является высокое требование к динамическому диапазону,связанное со спецификой измеряемой ИФГ, имеющей большие значения сигналавблизи положения НРХ и малые – вблизи положения максимальной ОРХ.Шум выборки является специфичным для фурье-спектрометра какинтерференционного прибора. Выборка ИФГ должна проводиться через равныеинтервалы по ОРХ, при этом подробный анализ систематических и случайныхпогрешностей выборки ИФГ изложен в работе [Вагин, 1988].

При использованиилазерного референтного канала для оцифровки ИФГ основными источникамишумавыборкиявляютсянестабильностьпочастотелазернойлинии,ограниченное значение отношения сигнал-шум в референтном канале, а такженеравномерность скорости изменения ОРХ при несогласованных задержкахосновного и референтного каналов.Отдельным источником погрешности выборки является неточность знаниядлины волны лазерного излучения, а также несовпадение оптических путейлазерного и основного канала, что приводит к неправильной привязкеизмеряемых спектров по частоте. Данный аспект подробно рассматриваетсяв параграфе 3.1 применительно к спектральной калибровке фурье-спектрометра.Кроме того, уровень радиометрического шума в измеряемых спектрахзависитоталгоритмовобработкиИФГ,связанныхснеобходимостью39радиометрическойкалибровкипоизмерениямопорныхисточников(параграф 2.2).Сопоставление результатов измерения радиометрического шума фурьеспектрометра ИКФС-2 с требованиями ТЗ представлено в параграфе 2.3.Помимо случайной радиометрической погрешности, существует целый рядисточниковсистематическойрадиометрическойпогрешностиизмерений,включая нелинейность ФПУ, погрешность задания СПЭЯ бортового черного тела,наличие зависимость регистрируемого сигнала от угла поворота сканера из-заполяризации зеркалом сканера отраженного излучения.

Характеризация иустранение систематических погрешностей измерений является основной задачейрадиометрической калибровки фурье-спектрометра.2.2. Разработка методики радиометрической калибровкифурье-спектрометровРегистрируемаяфурье-спектрометромИФГпредставляетсобойавтокорреляцию амплитуды электрического поля как функцию ОРХ [Белл, 1972;Гудмен, 1988; Вагин, 1988]. В соответствии с теоремой Винера-Хинчина, функцияавтокорреляции связана со спектральной плотностью входного излученияпреобразованиемФурье.Приэтомрезультатомфурье-преобразованиярегистрируемой прибором ИФГ является комплексный спектр, выраженный в техили иных условных единицах. В процессе радиометрической калибровкикомплексный спектр преобразуется в истинный спектр объекта наблюдения,выраженный в абсолютных значениях физической величины (СПЭЯ илияркостнойтемпературы).Дляэтогонеобходимознатьспектральнуючувствительность прибора и его собственное излучение, что требует проведенияизмерений двух опорных источников.2.2.1.

Уравнение радиометрической калибровкиПри условии линейности измерительного тракта соотношение между СПЭЯобъекта наблюдения и фурье-образом регистрируемой прибором ИФГ имеет вид:40{}Sɶ (ν ) = Kɶ (ν ) ⋅ SAˆ L (ν ) + Lɶ0 (ν ) .(2.3)Здесь Sɶ (ν ) – комплексный (знак «~») спектр излучения объекта, связанный срегистрируемой прибором ИФГ преобразованием Фурье; L (ν ) – СПЭЯ объектанаблюдения, [Вт/(м2∙ср∙см-1)]; Kɶ (ν ) – комплексная функция, модуль которой естьспектральная чувствительность прибора К(ν), а аргумент – фазовая функция φ (ν ) ,учитывающая дисперсию интерферометра и фазочастотные характеристикиэлектронноготракта;Lɶ0 (ν ) – собственноеизлучениеэлементовприбора,промодулированное интерферометром и падающее на ФП; SAˆ {...} – операторсамоаподизации ИФГ, учитывающий форму аппаратной функции (АФ) прибора.Далее в настоящей главе используется сокращенная запись:Sɶ (ν ) = Kɶ (ν ) ⋅  L (ν ) + Lɶ0 (ν )  ,(2.3,а)при этом подразумевается, что спектры L (ν ) , Lɶ0 (ν ) уже учитывают влияние АФприбора.Для того чтобы от измеряемых спектров Sɶ (ν ) перейти к СПЭЯ объектанаблюдения L(ν), необходимо в (2.3,а) исключить неизвестные – спектральнуючувствительность Kɶ (ν ) и собственное излучение Lɶ0 (ν ) .

Для этого необходимопериодическое проведение измерений двух опорных источников с известнойспектральной яркостью. В качестве таковых могут быть выбраны два черных телас различными температурами (далее – горячее (ГЧТ) и холодное (ХЧТ)). Тогдасистема уравнений имеет следующий вид: Sɶ ГЧТ (ν ) = Kɶ (ν )  LГЧТ (ν ) + Lɶ0 (ν ) . XЧТXЧТɶɶɶ S (ν ) = K (ν )  L (ν ) + L0 (ν ) (2.4)Решая относительно Kɶ (ν ) и Lɶ0 (ν ) , получим:Sɶ ГЧТ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν ) ɶSɶ ХЧТ (ν ) LГЧТ (ν ) − Sɶ ГЧТ (ν ) LХЧТ (ν )ɶ, L0 (ν ) =K (ν ) = ГЧТ.L (ν ) − LХЧТ (ν )Sɶ ГЧТ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν )(2.5)Подставляя (2.5) в (2.5,а), находим искомую СПЭЯ объекта наблюдения,41выражение в явном виде для которой следующее:Sɶ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν ) ГЧТSɶ ГЧТ (ν ) − Sɶ (ν ) ХЧТL(ν ) = ГЧТL (ν ) + ГЧТL (ν ) .Sɶ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν )Sɶ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν )(2.6)В штатном режиме работы прибора на орбите объектом измерения являетсяизлучение атмосферы Земли на фоне подстилающей поверхности.