Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 9

Давление в вакуумнойкамере во время калибровочных испытаний поддерживается на уровне10-4 мм рт.ст., температура азотных экранов (80-100) К.Рисунок 2.8.Стенд тепловакуумных испытаний ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»57Оптико-механический блок прибора устанавливается в тяговом подвесевнутри вакуумной камеры (Рисунок 2.9). Напротив, также в подвесе,устанавливается рабочая модель АЧТ (далее «горячее» черное тело (ГЧТ)), атакже «холодное» черное тело (ХЧТ), имитирующее наблюдение холодногокосмоса. С помощью термостата, использующего в качестве теплоносителя тосол,можно точно задавать температуру ГЧТ в диапазоне от -25 до +50°С.

Длязахолаживания ХЧТ используется жидкий азот. Захолаживание фотоприемника, вштатных условиях осуществляемое радиационным холодильником, при наземныхиспытаниях также обеспечивается подачей жидкого азота в термостат ФП попроточнойсхемеспомощьюбаллонаXRP-30S,позволяющеготочнорегулировать величину избыточного давления.Для обеспечения требуемых температур прибора ( Т ОМБ = 15, 20, 23о С ),предусмотренных при штатной эксплуатации на орбите, оптико-механическийблок монтируется внутри нагревательных панелей, каждая из которых имеетпленочные нагреватели и датчики температуры для обеспечения быстрого выходана требуемый температурный режим и термостатирования прибора.Модуль электроники (МЭ) вместе с контрольно-измерительной аппаратурой(КИА) для управления прибором и регистрации информации устанавливаютсяснаружи камеры.

Температуры ФП, модуля интерферометра, ГЧТ и ХЧТрегистрируются с помощью многоканального измерителя температуры МИТ-8.Источник излучения (ГЧТ), по которому калибруется аппаратура ИКФС-2 –высокоточная модель абсолютно черного тела, представляющая собой полостноечерное тело с апертурой 100 мм. К внешней поверхности цилиндра припаянытрубки, по которым циркулирует теплоноситель. Для измерения температурыГЧТимеютсяпрецизионныеплатиновыетермометрысопротивления.Максимальная неизотермичность дна не превышает 0.04 К, боковой поверхности– не более 0.1 К. Эффективная степень черноты с учетом полученнойнеизотермичности выше 0.996. Схематично эталонный источник излученияпредставлен на Рисунке 2.10 слева.

Основные параметры модели ГЧТпредставлены в Таблице 6.58Рисунок 2.9.Схема стенда тепловакуумных испытаний (СТВИ): 1 - вакуумная камера,2 - криогенные экраны, 3 - имитатор солнечного потока (при калибровке неиспользуется), 4 - ХЧТ, 5 - термостат ФП, 6 - блок управления термостатом ГЧТ,7 - трубопроводы подачи жидкого азота в термостат ФП, 8 - баллон с жидкимазотом, 9 - пульт управления, 10 - источники питания, 11 - крейт-контроллер,12 - компьютер, 13 - ГЧТ, 14 - ОМБ прибора ИКФС-2, 15 - нагреватели,16 - теплоизоляция трубок подвода азота, 17 - кабели питания, системыуправления прибором, электронагревателей и датчиков температуры, 18 - КИАИКФС-2, 19 - МЭ прибора ИКФС-2, 20 - стендовая система подачи жидкого азота59Рисунок 2.10.Схема модели АЧТ BB100V1 (слева) и фотография модели ХЧТ (справа)Таблица 6.Характеристики модели АЧТ BB100V1Диапазон рабочих температурВнешние габариты корпуса (длина × диаметр)Диаметр полости АЧТГлубина полости АЧТАпертура(220-325) К500 × 214 мм120 мм200 ммПогрешность измерения температуры100 ммвнешний термостатLAUDA Proline RP1845≤ 0,1 0СТочность поддержания температуры0.1 0СТермостатированиеВремя выхода на заданную температуруВстроенные термометрыМатериал полости АЧТПотребляемая мощность(с внешним жидкостным термостатом RP1845)не более 1.5 ч2-5 шт.

× 100 Ωрезисторы PRTмедь, окрашенная(1,6-3,5) кВтМодель ХЧТ (Рисунок 2.10 справа) представляет собой полостное черноетело с апертурой 150 мм. Стенки полости – двойные, выполнены из стали Х18Н9Ти заливаются жидким азотом. Днище ХЧТ представляет из себя узел, состоящийиз двух монолитных медных плит, плотно соединенных между собой. Внутренняя60часть днища выполнена в виде системы концентрических колец. Внешняя сторонаднища охлаждается жидким азотом. Для захолаживания жидким азотом иудаления образовавшейся при этом газообразной фазы разработана специальнаясхема прокачки азота, которая позволяет обеспечить равномерное полетемператур (~80 К) по всей внутренней полости ХЧТ. Контроль температурыосуществляется за счет установленных на днище двух пленочных термометровТМ-344.

В полости между холодным внутренним корпусом и теплым кожухомдля уменьшения теплопритоков снаружи располагается экранно-вакуумнаятеплоизоляция (ЭВТИ). Для увеличения степени черноты внутренняя полостьХЧТ покрывается черной эмалью. Степень черноты данного черного тела вдиапазоне длин волн 5-15 мкм составляет не менее 0,98.Такимобразом,осуществляетсярадиометрическаяпутемрегистрациикалибровкаинтерферограммфурье-спектрометрапринаблюдениивысокоточной рабочей модели АЧТ, температура которого изменяется вдиапазоне от -25 до 50°С. В качестве опорных источников используются бортовоймодулькалибровки( Т БМК = 40о С )иХЧТ( Т ХЧТ = 80К ),имитирующеенаблюдение холодного космоса.Цикл измерений включает в себя последовательную запись интерферограммэталонного (ГЧТ) черного тела, бортового модуля калибровки (БМК) и«холодного» черного тела, моделирующего наблюдение космоса, при различныхтемпературах ГЧТ.

Кроме того, такие циклы проводятся при различныхтемпературах прибора: Т ПРИБ = 15, 20, 23о С .2.3.2. Результаты наземной радиометрической калибровки прибора ИКФС-2На Рисунке 2.11 представлены графики модулей спектров рабочей моделичерного тела Sɶ ГЧТ (ν ) в диапазоне температур от -20 до +50°С, а на Рисунке 2.12 –графики модулей спектров опорных источников Sɶ БМК (ν ) и Sɶ ХЧТ (ν ) (БМК и ХЧТ)при температуре прибора 20°С. Аналогичные результаты были получены притемпературах прибора 18°С и 23°С.61Рисунок 2.11.Графики модулей регистрируемых спектров рабочей модели черного тела (ГЧТ)Рисунок 2.12.Графики модулей регистрируемых спектров опорных черных тел62Воспользовавшись уравнением радиометрической калибровки, получимпервичные (исходные) результаты для измеренной прибором СПЭЯ ГЧТ: Sɶ ГЧТ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν ) LГЧТ (ν ) = Re  БМКB (ν ; TБМК ) .ɶ (ν ) − Sɶ ХЧТ (ν ) SИсходная погрешность определения яркостной температуры ГЧТ прибором (впредположении линейности фотоприемного тракта и без учета зависимостиизлучательной способности бортового черного тела от волнового числа)∆Ti ГЧТ (ν ) = Ti ГЧТ − InvPlanck ( LiГЧТ (ν ) )ожидаемо составила несколько градусов (Рисунок 2.13), значительно превышаятребование технического задания, равное 0.5 К.Рисунок 2.13.Исходная погрешность определения яркостной температуры рабочей моделичерного тела (ГЧТ)Для того чтобы наглядно убедиться, что представленные на Рисунке 2.13результаты объясняются, в первую очередь, наличием нелинейности ФП,проанализируем полученные в ходе испытаний спектры.

На основаниивыполненных измерений построим графики модулей следующих спектров:63iɶ (ν ;T i ) − Sɶ (ν )  ⋅ B (ν ;T = 313K ) .=νSɶ313S()KГЧТХЧТi ГЧТB (ν ;TГЧТ)(2.31)Здесь зарегистрированные при различных температурах ГЧТ спектры длявозможности сравнения приводятся к одной и той же температуре (Т = 313 Квыбрана произвольно), для чего предварительно исключается вклад собственногоизлучения вычитанием SХЧТ(ν).Рисунок 2.14.Спектры эталонного ЧТ, приведенные к одной и той же температуре ТГЧТ = 313 Кс использованием выражения (2.31)Очевидно,прилинейномФПУвсепредставленныеграфики,будучиприведенными к одной и той же температуре объекта, совпадали бы.Нелинейность ФПУ приводит к искажению регистрируемой ИФГ, в особенностивблизи положения нулевой ОРХ, где размах максимален и пропорционаленинтегральному потоку.

Поэтому приведенные на Рисунке 2.14 модули спектровоказываются на графике ниже для более высоких температур эталонного ЧТ.Нелинейность ФПУ также проявляется в спектральной области в наличиисигнала вне рабочего диапазона волновых чисел (Рисунок 2.15), аналогично тому,64как это указано в работах [3,4,5]. В частности, регистрируемое излучение вдиапазоне ν < 588 см-1 (λ > 17 мкм) из-за сильного поглощения германием иселенидом цинка должно с уменьшением волнового числа резко падать до нуля.Однако на Рисунке 2.15 в этой области видно наличие артефактов.Рисунок 2.15.Наличие сигнала в области нечувствительности прибора λ > 17 мкмНаконец, еще одним наглядным подтверждением нелинейности ФПУявляется наличие второй гармоники при регистрации монохроматическогоизлучения СО2- (10.3 мкм) или HeNe-лазера (5.4 мкм) (см. главу 3).При использовании (2.25) для коррекции нелинейности ФП следуетотметить необходимость предварительного учета АЧХ и ФЧХ усилителя.

АЧХэлектронноготрактапромеряетсяэкспериментально,атрудностисэкспериментальным определением ФЧХ решаются с помощью сравнения фазрегистрируемых спектров для двух направлений перемещения маятникаинтерферометра (условно «левое» и «правое»):φЛ (ν ) = +φОПТ (ν ) + φЭЛ (ν ).=−+φνφνφν()()()ОПТЭЛ ПЗдесьφЛ(ν),φП(ν)–фазырегистрируемых(2.32)комплексныхспектров,65соответствующие «левому» и «правому» направлениям поворота маятника;φОПТ(ν) – оптическая составляющая фазы, учитывающая, в первую очередь,дисперсию, вносимую неидеально скомпенсированным светоделителем; φЭЛ(ν) –составляющая фазы, учитывающая ФЧХ электронного тракта.КоррекциянелинейностифотоприемникаИКФС-2проводиласьсиспользованием выражения:2I НЛ (x) + I НЛ ,0 = ( I (x) + I 0 ) + a ( I (x) + I 0 ) ,т.е.

с использованием только квадратичного коэффициента. Возможностькоррекции кубического коэффициента нелинейности в аппаратуре ИКФС-2ограничена значением частоты дискретизации сигнала интерферограммы: νmax =2000 см-1, νдискр = νреф ≈ 7630 см-1, 2νmax = 4000 см-1, νN ≈ 3815 см-1. Таким образом,применение даже квадратичной коррекции для ИКФС-2 возможно лишь вспектральном диапазоне до ~1907 см-1.Определение неизвестных коэффициентов (a, K) проводится в результатепроцедуры оптимизации, минимизирующей, во-первых, температурную невязку∆Ti ГЧТ (ν ) = Ti ГЧТ − InvPlanck ( LiГЧТ (ν ; a, K ) )вспектральномдиапазоне(665-1900) см-1, а во-вторых, величину сигнала в длинноволновой областинечувствительности прибора (ν < 588 см-1 , λ > 17 мкм).После коррекции нелинейности ФП, второй наиболее важной задачейназемнойрадиометрическойкалибровкиприбораявляетсяопределениеспектральной яркости бортового черного тела (БМК).