Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 8

Значение TБ = 40o Cвыглядитнаиболееобластьюпредпочтительным,посколькуобладаетнаименьшейэкстраполяции ( TБ < TА < 50o C ).4) С ростом числа N усредняемых опорных спектров значение σ L (ν ) существенноснижается. В частности, при TБ = 313К и N = 30 имеем σ L (ν ) ≤ 1.03 ⋅ NESR (ν )для всего диапазона измеряемых яркостных температур TA ∈ ( 200...323) K во всемрабочем диапазоне волновых чисел ν ∈ ( 667...2000) см-1 (Рисунок 2.4).2.2.5.

Методика коррекции нелинейности фотоприемникаУравнение (2.7,a) радиометрической калибровки справедливо при условиилинейности ФПУ: как фотоприемника, так и электронного тракта. И если условиелинейности электронного тракта в большинстве случаев удается реализовать, тонелинейность ФП зачастую оказывает значительный эффект. В особенности это50касается широко применяемых в длинноволновом ИК-диапазоне (до 16 мкм)фоторезисторов на основе материала КРТ.В работе [Bartoli, 1974] показано, что в детекторах Hg1-xCdxTe n-типа иx~0.2 (λco~14мкм) при потоках Ф свыше 1019 фотонов/см2/с время жизнинеосновных носителей τ определяется оже-рекомбинацией и пропорционально Ф2/3, приводя к нарушению линейной зависимости между фотопроводимостью ипадающим потоком: σфп ~ Ф1/3 (Рисунок 2.5).

Следует отметить, что указанныйуровень светового потока является достаточно большим, и значения Ф,характерные применительно к данной задаче, соответствуют переходной областив диапазоне потоков (1016-1018) фотонов/см2/с.Рисунок 2.5.Время отклика (слева) и фотопроводимость (справа) КРТ-детектора n-типа взависимости от величины падающего потока при ТФП ~80 К [Bartoli,1974]Аналогичный результат представлен в работе [Borello, 1976], где такжепоказывается, что поведение детектора при высоких уровнях светового потокахорошо описывается моделью оже-рекомбинации.Большое влияние на линейность оказывает схема включения детектора. Присмещении детектора по току сопротивление фоторезистора изменяется обратнопропорционально величине падающего потока, принципиально определяянелинейное поведение.

В этом смысле схема включения со смещением понапряжению является предпочтительной, однако в работе [Schindler, 1986]51демонстрируется, что и такая схема с последовательным нагрузочным резисторомтакже может приводить к нелинейности в измерениях вне зависимости от величинсветовых потоков. При этом выходной сигнал определяется выражением вида:∆V =K1Φ.1 + K 2ΦИ хотя для коэффициентов K 1 , K 2 справедливо условие K 1 ≫ K 2 , линейнаязависимость регистрируемого сигнала от падающего потока не соблюдается.Подробный анализ влияния электронного тракта применительно к задачамИК-спектрометрии представлен в работе [Rahmelow, 1997].

При этом с точкизрения возможности коррекции нелинейности схемы включения на этапеобработки интерферограмм автор указывает на необходимость предварительноучитывать влияние АЧХ и ФЧХ электронного тракта.В работе [Guelachvili, 1986] показывается способ компенсации нелинейныхискажений путем совместной обработки сигналов с двух ФПУ, расположенных поразные стороны от светоделителя (фурье-спектрометр с двумя выходами).Поскольку задачи ИК фурье-спектрометрии характеризуются большимдинамическим диапазоном, проблема нелинейности ФП стоит особенно остро.

Впервую очередь, имеет место искажение центральной части ИФГ вблизиположения НРХ, где размах сигнала максимален. В результате фурьепреобразования такой ИФГ спектр может значительно искажаться, приводя кнедопустимым радиометрическим ошибкам. Поэтому анализ преобразованиясигнала необходимо проводить с учетом нелинейности ФП, а процедурапервичной обработки обязана включать в себя её коррекцию.В общем случае связь между линейной и нелинейной ИФГ на выходе ФП(Рисунок 2.6) можно представить в виде степенного ряда:I НЛ ( x ) = I ( x ) + a ⋅ I ( x ) 2 + b ⋅ I ( x ) 3 + ...(2.22)Здесь ( a, b ) - квадратичный и кубичный коэффициенты нелинейности ФП. Приэтом, например, в работах [Wilson, 1999] автор ограничивается квадратичнойзависимостью, а в работах [Abrams, 1994], [Alam, 2000], [Zhang, 1997] такжеучитывается и кубическая составляющая.52Рисунок 2.6.Схематичное представление нелинейного отклика детектора с учетом постояннойи модулированной составляющей сигналаВ спектральной области данное выражение принимает вид:S НЛ (ν ) = S (ν ) + a [ S (ν ) ⊗ S (ν ) ] + b [ S (ν ) ⊗ S (ν ) ⊗ S (ν ) ] .(2.23)Таким образом, если диапазон частот регистрируемого сигнала лежит в диапазоневолновых чисел (νmin…νmax), то спектр нелинейного сигнала расширяется додиапазона (0…3νmax) (Рисунок 2.7).

Для корректного восстановления такогосигнала необходимо, чтобы частота дискретизации интерферограмм превышала6νmax, что на практике зачастую не выполняется. В частности, для прибора ИКФС2 имеем νmax = 2000 см-1, νs = 1/λреф ≈ 7630 см-1, поэтому коррекция нелинейностивозможна лишь с учетом квадратичной составляющей, причем для волновыхчисел не более ~1907 см-1.Связь между линейной и нелинейной ИФГ с учетом постояннойсоставляющей для ФП с учетом квадратичного и кубичного коэффициентовнелинейности ФП ( a, b ) :I НЛ = I + a ⋅ I 2 + b ⋅ I 3 + ...23I НЛ ( x) + I НЛ ,0 = ( I ( x) + I 0 ) + a ( I ( x) + I 0 ) + b ( I ( x) + I 0 ) == I 0 (1 + aI 0 + bI 02 ) + I (1 + 2aI 0 + 3bI 02 ) + I 2 ( a + 3bI 0 ) + bI 3 .53Здесь I 0 и I НЛ ,0 - постоянные составляющие в линейном и искаженном сигналах,связанные между собой соотношением:I НЛ ,0 = I 0 (1 + aI 0 + bI 02 ) ,(2.24)а выражение, определяющее ИФГ на выходе ФП с учетом нелинейности:I НЛ ( x ) = (1 + 2aI 0 + 3bI 02 ) ⋅ I ( x ) + ( a + 3bI 0 ) ⋅ I 2 ( x ) + b ⋅ I 3 ( x ) .(2.25)Следует отметить, что постоянная составляющая сигнала на выходе ФПI НЛ ,0 отсекается ПУ и, таким образом, не регистрируется.

Это представляетдополнительнуютрудностьприкоррекциинелинейности,приводякнеобходимости оценивать её значение.Рисунок 2.7.Частотные диапазоны исходного спектра (665-2000 см-1), квадратичной(0-1335 см-1 и 1330-4000 см-1) и кубичной (0-3600 см-1) составляющих(коэффициенты нелинейности (a,b) заданы большими для наглядности)Таким образом, задача коррекции нелинейности ФП заключается ввычислении линейной интерферограммы I ( x) на основе измеренной I НЛ ( x ) иоцененнойпостояннойсоставляющейI НЛ ,0сучетомкоэффициентовнелинейности ФП ( a, b ) , определяемых на этапе радиометрической калибровки.Постоянная составляющая в ИФГ моделируется с учетом эффективностимодуляции μ(ν) и фоновой составляющей IФ:54IХЧТ0= IФ + ∫Sɶ ХЧТ (ν )µ (ν )dν , IГЧТ0=IХЧТ0+∫Sɶ ГЧТ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν )µ (ν )dν . (2.26)Заменяя эффективность модуляции μ(ν) на контраст интерференции K,представляющий собой эффективное значение μ(ν), усредненное по рабочемуспектральному диапазону, получим:I 0ХЧТ = IФ +1K∫1Sɶ ХЧТ (ν ) dν , I 0ГЧТ = I 0ХЧТ +K∫ Sɶ (ν ) − Sɶ (ν ) dν .ГЧТХЧТ(2.27)Проблема здесь заключается в том, что данные выражения справедливы длялинейных спектров Sɶ (ν ) , а измеренные спектры Sɶ ГЧТ (ν ) и Sɶ ХЧТ (ν ) уже содержат всебе нелинейность.

Поэтому для нахожденияI 0ГЧТиI0ХЧТприменяетсяитерационный процесс:А) вычисление I0ХЧТ и I 0ГЧТ по (2.27) с использованием имеющихся нелинейныхспектров;Б) пересчет I ГЧТ и I ХЧТ по (2.25) с учетом I0ХЧТ и I0ХЧТ .В) вычисление фурье-преобразования Sɶ (ν ) = FFT {I ( x )} ;Г) повторение (А-В) N раз (на практике не более 5; процесс сходится).На выходе имеем скорректированные ИФГ и спектры ГЧТ и ХЧТ,соответствующие данным значениям параметров оптимизации (K, IФ, a, b).2.2.6. Определение спектральной яркости бортового черного телаСогласно выражению (2.6,a), для получения калиброванных спектровобъекта наблюдения необходимо в ходе градуировки прибора точно определитьСПЭЯ БЧТ, и в первую очередь, его излучательную способность ε БЧТ (ν ) :LБЧТ (ν ) = ε БЧТ (ν ) B (ν , T БЧТ ) .Здесь T БЧТ(2.28)- температура бортового модуля калибровки, регистрируемаяштатными датчиками температуры ТМК1 и ТМК2.В случае недостаточно высокой излучательной способности БМК требуетсятакже учет отраженного от БМК излучения элементов прибора:55LБМК (ν ) = ε БМК (ν ) B(ν , T БМК ) ++ ∑ (1 − ε БМК (ν ) )τ 1..(i −1) (ν )ε i (ν ) B(ν , T i ) ( sin 2 θ i 2 − sin 2 θ i1 ).(2.29)iЗдесь T i , ε i (ν ) - температура и излучательная способность i-ого элементаприбора;τ 1..(i−1) (ν )-функцияпропусканияоптическойсистемымеждуi-компонентом и БМК; ( sin 2 θi ,2 − sin 2 θi ,1 ) - угловой коэффициент, определяющийтелесный угол видимости приемником i-ого компонента.При использовании выражения (2.29) на практике может оказатьсядостаточным учитывать вклад отраженного от БЧТ излучения лишь некоторыхэлементов прибора (входного окна, светоделителя, объектива):LБМК (ν ) = ε БМК (ν ) B (ν , T БМК ) + (1 − ε БМК (ν ) ) f (ν ; Т ВО , T СД , T ОБ ) .(2.30)Точный вид уравнения (2.30) определяется только по результатамградуировки при различных температурах прибора.

Также учитывая, что вприборе ИКФС-2 не предусмотрено непосредственное измерение температурвходного окна, светоделителя и объектива, их значения можно получать наосновании значений температур элементов модуля интерферометра прибора(датчики ТМИ1-ТМИ4) с использованием расчетной тепловой модели прибора.2.2.7. Учет угла поворота зеркала сканераВ зависимости от способа сканирования в направлении, поперечномдвижению спутника, угол падения излучения на зеркало сканера (ЗС) можетизменяться, требуя введения в уравнение радиометрической калибровки (2.8,а)коэффициента отражения, зависящего от угла поворота ЗС. Такая схемасканирования применяется в фурье-спектрометре IASI.

Во втором способеразвертки, применяемом в приборах ИКФС-2 и CrIS, угол падения излучения наЗС всегда составляет 45⁰ (как для наблюдения атмосферы, так и для опорныхисточников). Однако и в этом случае может потребоваться введение в (2.8,а)коэффициента, зависящего от угла поворота ЗС. Причина в том, что отражениеизлучения от наклонной поверхности всегда приводит к некоторой поляризации56излучения, причем плоскость поляризации поворачивается в зависимости отположения ЗС. А поскольку модуль интерферометра также поляризуетпроходящее через него излучение, то сигнал, регистрируемый ФП, будет зависетьот угла поворота ЗС при фиксированной сцене.

Для учета влияния поворота ЗСможет потребоваться составление таблицы с корректирующими коэффициентамидля каждого угла поворота.2.3. Результаты наземной калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2в криогенно-вакуумной камере2.3.1. Описание криогенно-вакуумного стенда радиометрической калибровкиДля проведения радиометрической калибровки инфракрасной аппаратуры вГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» создан специальный стенд на основе стендатепловакуумных испытаний (СТВИ) (Рисунок 2.8).Вакуумная камера снабжена форвакуумными и паромасляными насосами,которые позволяют добиться требуемого давления внутри камеры, а такжекриогенными экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Криогенные экраны, вопервых, необходимы при имитации теплового режима на орбите, а во-вторых,позволяют минимизировать образование конденсата на холодных элементахаппаратуры, в особенности - на приемнике излучения.