Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ требований к характеристикам бортовой инфракрасной гиперспектральной аппаратуры температурно-влажностного зондирования атмосферы земли из космоса 11
1.1. Задача температурно-влажностного зондирования атмосферы Земли из космоса 11
1.2. Требования к характеристикам бортовой инфракрасной гиперспектральной аппаратуры метеорологического обеспечения 18
1.2.1. Радиометрический шум 21
1.2.2. Погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале 22
1.2.3. Погрешность спектральной привязки к шкале волновых чисел... 23
1.2.4. Погрешность определения аппаратной функции 26
1.3. Бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура ТВЗА космического базирования 27
1.3.1. Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2: назначение, характеристики, состав и функциональная схема 29
1.3.2. Сравнение технических характеристик бортовых инфракрасных фурье-спектрометров ТВЗА 32
1.4. Постановка задачи калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров ТВЗА 33
Выводы к главе 1 36
ГЛАВА 2. Исследование радиометрических характеристик фурье-спектрометров и разработка методики радиометрической калибровки 37
2.1. Анализ источников радиометрической погрешности фурье-спектрометров 37 Стр.
2.2. Разработка методики радиометрической калибровки фурье спектрометров 39
2.2.1. Уравнение радиометрической калибровки 39
2.2.2. Анализ фазовых искажений в интерферограммах 42
2.2.3. Усреднение спектров опорных источников 43
2.2.4. Выбор оптимальной температуры бортового черного тела 45
2.2.5. Методика коррекции нелинейности фотоприемника 49
2.2.6. Определение спектральной яркости бортового черного тела 54
2.2.7. Учет угла поворота зеркала сканера 55
2.3. Результаты наземной калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2
в криогенно-вакуумной камере 56
2.3.1. Описание криогенно-вакуумного стенда радиометрической калибровки фурье-спектрометра 56
2.3.2. Результаты наземной радиометрической калибровки ИКФС-2 60
Выводы к главе 2 69
ГЛАВА 3. Исследование спектральных характеристик бортовых фурье-спектрометров и разработка методикиспектральной калибровки 71
3.1. Разработка методики спектральной привязки измеряемых спектров к шкале волновых чисел 71
3.1.1. Разработка методики коррекции зависимости длины волны излучения лазера референтного канала от температуры 72
3.1.2. Разработка методики спектральной привязки непосредственно по измеряемым спектрам 77
3.2. Исследование факторов, определяющих аппаратную функцию фурье-спектрометров 80
3.2.1. Диапазон изменения разности хода и функция аподизации 81
3.2.2. Размер и положение чувствительных площадок фотоприемника 82 Стр.
3.2.3. Поперечная дефокусировка фотоприемника 84
3.2.4. Угловая чувствительность прибора 86
3.2.5. Остаточная разъюстировка интерферометра
3.3. Разработка методики и результаты измерения аппаратной функции фурье-спектрометра ИКФС-2 89
3.4. Характеризация аппаратной функции фурье-спектрометра
3.4.1. Оценка величин параметров разъюстировки интерферометра 93
3.4.2. Измерение угловой чувствительности прибора 95
3.4.3. Результаты моделирования аппаратной функции ИКФС-2 96
Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. Результаты сопоставления измерений фурье-спектрометра ИКФС-2, полученных в ходе лётных испытаний ка «метеор-м» № 2, с данными независимых спутниковых измерений
4.1. Анализ состояния спектральной привязки измерений ИКФС-2 100
4.2. Сопоставление измерений ИКФС-2 и радиометра SEVIRI (спутник Meteosat-10) 112
4.3. Сопоставление измерений ИКФС-2 и европейского фурье-спектрометра IASI (спутник MetOp) 119
4.4. Результаты восстановления параметров и состояния атмосферы по данным ИКФС-2 128
Выводы к главе 4 131
Общие выводы и заключение 132
Список литературы
- Бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура ТВЗА космического базирования
- Выбор оптимальной температуры бортового черного тела
- Разработка методики спектральной привязки непосредственно по измеряемым спектрам
- Сопоставление измерений ИКФС-2 и европейского фурье-спектрометра IASI (спутник MetOp)
Введение к работе
Актуальность работы
Современные требования к качеству и достоверности краткосрочного и долгосрочного прогнозирования погоды и климата могут быть выполнены только с использованием технологий численного прогноза погоды на основе данных глобальных измерений. Глобальный мониторинг атмосферы и земной поверхности также необходим для эффективного контроля опасных погодных явлений и предупреждения об их появлении; мониторинга Мирового океана; комплексного контроля озонового слоя; контроля динамики малых газов, влияющих на «парниковый» эффект; контроля чрезвычайных ситуаций.
Указанные задачи решаются с использованием результатов измерений сканирующих по пространству радиометров и спектрометров космического базирования, работающих в различных диапазонах спектра. В частности, для задач восстановления метеопараметров атмосферы наиболее эффективным подходом является совместное использование данных инфракрасной аппаратуры высокого спектрального разрешения (фурье-спектрометров или дифракционных спектрометров) и данных микроволновых зондировщиков, способных получать информацию при наличии облаков.
В настоящее время на солнечно-синхронных околополярных орбитах успешно функционируют фурье-спектрометры IASI (европейские спутники MetOp-A/B), CrIS (американский спутник NPP Suomi) и российский фурье-спектрометр ИКФС-2 (КА «Метеор-М» № 2). Получаемая данной аппаратурой информация используется системами ассимиляции глобальных данных для инициализации численного метеопрогноза.
Актуальность темы диссертации обусловлена созданием в России бортовой инфракрасной аппаратуры (фурье-спектрометров) серии ИКФС, предназначенной для измерения спектров уходящего теплового излучения системы «атмосфера – поверхность Земли» и получения на их основе данных о параметрах и составе атмосферы: вертикальных профилей температуры и влажности (с погрешностью (1-2) К и (10-15)% соответственно), общего содержания озона и малых газовых составляющих (с погрешностями не более 5%), температуры подстилающей поверхности (с погрешностью не более 0,5 К) и др. При этом успешное решение обратной задачи переноса излучения в атмосфере возможно лишь при выполнении высоких требований к точности спектральных измерений, что требует проведения калибровки прибора, являющейся одним из ключевых этапов создания измерительной аппаратуры.
Следует отметить, что существующие методики радиометрической и спектральной калибровки фурье-спектрометров, разработанные для зарубеж-1
ных приборов-аналогов, в значительной степени ориентированы на аппаратную реализацию, поэтому применимы лишь к конкретной аппаратуре, не носят универсального характера и, в частности, не могут быть применены для калибровки аппаратуры серии ИКФС.
Цель работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы является обеспечение требуемых точностных характеристик бортового инфракрасного фурье-спектрометра температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) Земли из космоса.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Определение требований к точностным характеристикам бортовой инфракрасной аппаратуры ТВЗА.
-
Анализ основных источников случайной и систематической погрешностей измерений бортовых фурье-спектрометров.
-
Разработка методики радиометрической калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров.
-
Разработка методики привязки измеряемых фурье-спектрометром спектров атмосферы к шкале волновых чисел.
-
Разработка методики определения аппаратной функции фурье-спектрометра во всем рабочем спектральном диапазоне.
-
Реализация алгоритмов преобразования измеряемых фурье-спектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферы в программном комплексе первичной обработки.
-
Проведение наземной калибровки бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 и определение точностных характеристик прибора на этапе лётных испытаний в составе КА «Метеор-М» № 2.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Разработана методика наземной радиометрической калибровки бортового инфракрасного фурье-спектрометра ТВЗА в условиях, максимально приближенных к орбитальным, позволяющая определить спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ) бортового черного тела и выполнить коррекцию нелинейности фотоприемника с учетом частотных характеристик электронного тракта и контраста интерференции, обеспечиваемого прибором.
-
Разработана методика спектральной привязки измерений фурье-спектрометра ТВЗА к шкале волновых чисел непосредственно по измеряемым спектрам атмосферы с обоснованием выбора спектрального поддиапазона, оценочной функции, чувствительной к спектральному сдвигу, и способа вычисления опорного спектра на основе метода главных компонент.
-
Разработана методика определения аппаратной функции фурье-спектрометра, позволяющая на основе измерений интерферограмм (ИФГ)
входного квазимонохроматического излучения лазерных источников определить форму спектрального отклика прибора во всем рабочем спектральном диапазоне с учетом угловой чувствительности прибора и остаточной разъюсти-ровки интерферометра.
Практическая ценность работы:
-
На основе результатов исследования и разработанных методик проведена наземная калибровка и обеспечены требуемые точностные характеристики первого отечественного бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 оперативного прогноза погоды и исследования климата в составе космического аппарата (КА) «Метеор-М» № 2.
-
Разработанные алгоритмы преобразования регистрируемых фурье-спектрометром интерферограмм в калиброванные спектры излучения атмосферы реализованы в программном комплексе первичной обработки данных аппаратуры ИКФС-2 (ПК IKFSPrepSuite).
-
Результаты проведенного исследования являются основой для калибровки модернизируемой аппаратуры серии ИКФС-2 (для КА «Метеор-М» №№ 2-1, 2-2, 2-3, 2-4), а также для создания вновь разрабатываемых фурье-спектрометров ИКФС-3 (КА «Метеор-МП») и ИКФС-ГС (КА «Электро-М»).
Апробация результатов и публикации
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 14 международных и российских научно-технических конференциях:
«Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», ИКИ РАН, г. Москва, 2009-2012 и 2014-2015 гг.;
Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика», физический факультет СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2009 и 2015 гг.;
«Гиперспектральные приборы и технологии» Международной академии «Контенант», ПАО КМЗ, г. Красногорск, 2013 г.;
научно-техническая конференция молодых ученых, посвященная 50-летию первого полета человека в космос, ПАО «РКК «Энергия», г. Королев, 2011 г.;
международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», АО «Корпорация «ВНИИЭМ», г. Москва, 2015 и 2016 гг.;
EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, г. Тулуза, Франция, 2015 г.;
- XX International TOVS Study Conference, г. Лэйк-Дженива, США, 2015 г.
Основные результаты диссертации практически полностью изложены в
11 публикациях, в том числе 7 работ опубликовано в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации общим объемом 3,16 п.л.
Структура и объем диссертационной работы
Бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура ТВЗА космического базирования
В соответствии с классификацией Системы глобального наблюдения из космоса (Space-Based Global Observing System), утвержденной Всемирной метеорологической организацией (ВМО), бортовая инфракрасная гиперспектральная аппаратура оперативного ТВЗА относится к приборам класса «03» (ИК-зондировщики температуры и влажности атмосферы для солнечно-синхронной орбиты). В Таблице 1 приведены основные характеристики приборов данного класса, соответствующие требованиям ТВЗА на 2020 г.
Характеристики ИК-зондировщиков температуры и влажности атмосферы для низких околоземных орбит (класс «03» по классификации ВМО), отвечающие требованиям ТВЗА на 2020 г. Спектральный диапазон Полоса обзора Пространств. разрешение Спектральное разрешение Число каналов NEdT @ 280 К
Выбор спектрального диапазона разрабатываемого прибора определяется исходя из его назначения и набора решаемых задач. В Таблице 2 и на Рисунке 1.4 приведено разбиение спектрального диапазона по информационному признаку. Таблица 2. Назначение спектральных интервалов в диапазоне (4-15) мкм (667-2500 см-1) Назначение спектральных интервалов в диапазоне (4-15) мкм Требование к полосе обзора ( 2200 км) определяется необходимостью обеспечения полного покрытия земной поверхности – важного условия для оперативного зондировщика. На Рисунке 1.5 представлено суточное покрытие земной поверхности прибором ИКФС-2 в режиме полосы обзора 1000 км (слева) и 2500 км (справа).
Требование к пространственному разрешению определяется пространственной изменчивостью восстанавливаемых метеопараметров и характерным размером облачности. Для современных ИК-зондировщиков оперативного мониторинга Земли для ССО мгновенное поле зрения составляет величину (12-30) км вблизи надира, а шаг пространственной сетки – от 25 до 100 км. яркостная температура, К @ 900 см-1 яркостная температура, К @ 900 см-1
Требование к спектральному разрешению (0.25-0.5) см-1 определяется требованием к вертикальному разрешению восстанавливаемых профилей температуры и влажности (1-2 км). При таком спектральном разрешении число каналов в измеряемых спектрах (число спектральных отсчетов) составляет величину порядка (4000-8000). Номинальное спектральное разрешение для фурье-спектрометра (без учета аподизации) определяется диапазоном изменения оптической разности хода (ОРХ) между ветвями интерферометра. Помимо перечисленных характеристик, для успешного решения сложной и специфической обратной задачи переноса излучения в атмосфере с целью восстановления искомых метеопараметров аппаратура ТВЗА должна удовлетворять высоким требованиям к следующим точностным характеристикам: - уровень радиометрического шума; - погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале; - погрешность спектральной привязки к шкале волновых чисел; - погрешность определения аппаратной функции. Ниже анализируются требования по каждой из них.
Требование к радиометрическому шуму в измеряемых спектрах (случайной составляющей радиометрической погрешности) может быть задано одним из следующих способов: NESR(v), [Вт/(м2срсм-1)] - пороговая спектральная плотность энергетической яркости объекта; NEdT(v) @ ТАЧТ, [К] - пороговая разность температур объекта; задается при фиксированном значении температуры тест-объекта в виде абсолютно черного тела, ТАЧТ; SNR(v) @ ТАЧГ - требуемое отношение сигнал-шум в спектре, реализуемое при наблюдении протяженного тест-объекта в виде черного тела с температурой ТАЧт. Все три способа задания эквивалентны и взаимосвязаны: , NESRiv) NEdT (у;ТАЧТ) = , (1.9) dB(y,TA4T)/ dT /i; т В{У,ТАЧт) В{У,ТАЧт) SNR(v;TA4T) = =. (1.10) NEdR[V) NEdl [y)-dB[y,lA4T)/dl dB(v,TA4T) dB(v,T) = Здесь используется упрощенная запись: dT dT т=тАЧТ
Удобство использования пороговой разности температур и отношения «сигнал-шум» обусловлено их наглядностью, однако при сравнении приборов-аналогов по этим характеристикам значения NEdT (у) и SNR(y) необходимо приводить к одной и той же температуре объекта. Удобство использования NESR() связано с тем, что и выходные данные фурье-спектрометра также выражены в единицах СПЭЯ.
В соответствии с требованиями ВМО (Таблица 1), уровень радиометрического шума в измеряемых спектрах должен быть порядка 0.2 К и менее (в терминах NEdT() @ 280К), в зависимости от спектрального поддиапазона и решаемой задачи. На Рисунке 1.6 представлены требование и фактическое значение радиометрического шума прибора IASI во всем спектральном диапазоне (645-2760) см-1. Требование для аппаратуры ИКФС-2 задается в терминах пороговой спектральной яркости NESR() и составляет (0,15-0,45) мВт/(м2срсм-1). Подробнее исследование радиометрического шума фурье-спектрометра представлено в параграфе 2.1 главы 2.
Погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале Для радиометрической калибровки измеряемых спектров циклограммой работы прибора на орбите предусмотрено периодическое измерение опорных источников в виде бортового черного тела и холодного космоса, что позволяет учесть спектральную чувствительность и собственное излучение прибора. Поэтому основными источниками систематической радиометрической погрешности в измеряемых спектрах являются нелинейность фотоприемного устройства (ФПУ) и погрешность определения СПЭЯ бортового черного тела с учетом его излучательной способности и вклада отраженного излучения.
Требование к погрешности абсолютной калибровки для современных ИК-зондировщиков температуры/влажности составляет величину порядка (0,3-0,5) К и задается для объектов со сплошным спектром в виде черного тела для диапазона температур (220-320) К (характерный диапазон яркостных температур атмосферы). На Рисунке 1.7 представлен график остаточной погрешности наземной радиометрической калибровки для аппаратуры IASI в диапазоне температур черного тела (220-300) К. Подробнее анализ погрешности радиометрической калибровки фурье-спектрометра представлен в параграфе 2.2.
Выбор оптимальной температуры бортового черного тела
Регистрируемая фурье-спектрометром ИФГ представляет собой автокорреляцию амплитуды электрического поля как функцию ОРХ [Белл, 1972; Гудмен, 1988; Вагин, 1988]. В соответствии с теоремой Винера-Хинчина, функция автокорреляции связана со спектральной плотностью входного излучения преобразованием Фурье. При этом результатом фурье-преобразования регистрируемой прибором ИФГ является комплексный спектр, выраженный в тех или иных условных единицах. В процессе радиометрической калибровки комплексный спектр преобразуется в истинный спектр объекта наблюдения, выраженный в абсолютных значениях физической величины (СПЭЯ или яркостной температуры). Для этого необходимо знать спектральную чувствительность прибора и его собственное излучение, что требует проведения измерений двух опорных источников.
Уравнение радиометрической калибровки При условии линейности измерительного тракта соотношение между СПЭЯ объекта наблюдения и фурье-образом регистрируемой прибором ИФГ имеет вид: S(v) = K(v)-SA{L(v) + L0(v)}. (2.3)
Здесь S(v) - комплексный (знак « ») спектр излучения объекта, связанный с регистрируемой прибором ИФГ преобразованием Фурье; L(v) - СПЭЯ объекта наблюдения, [ВтЛмсрсм"1)]; K (v) - комплексная функция, модуль которой есть спектральная чувствительность прибора K(v), а аргумент - фазовая функция ф(у), учитывающая дисперсию интерферометра и фазочастотные характеристики электронного тракта; L0(v) - собственное излучение элементов прибора, промодулированное интерферометром и падающее на ФП; SAJ...} - оператор самоаподизации ИФГ, учитывающий форму аппаратной функции (АФ) прибора. Далее в настоящей главе используется сокращенная запись: S (v) = (v)-[L (v) + L0 (v)], (2.3,а) при этом подразумевается, что спектры L(v), L0(v) уже учитывают влияние АФ прибора.
Для того чтобы от измеряемых спектров S(v) перейти к СПЭЯ объекта наблюдения L(v), необходимо в (2.3,а) исключить неизвестные - спектральную чувствительность K(v) и собственное излучение L0(v). Для этого необходимо периодическое проведение измерений двух опорных источников с известной спектральной яркостью. В качестве таковых могут быть выбраны два черных тела с различными температурами (далее - горячее (ГЧТ) и холодное (ХЧТ)). Тогда система уравнений имеет следующий вид: ГЧТ ГЧТ хчт ХЧТ S141(V) = K(V) L41(V) + L(V) SA41 (V) = K(V) LA41 (V) + ЫУ) (2.4) Решая относительно К (у) и L0(v), получим: , , Sr4T(v) - SX4T(v) , , SX4T(v)Lr4T(v) - Sr4T(у)Ьшт(v) К{У) = т , LJV) = г =г . (2.5) Подставляя (2.5) в (2.5,а), находим искомую СПЭЯ объекта наблюдения, выражение в явном виде для которой следующее: S(v)-SX4T(v) тГЧТґ ч SF4T(v)-S(v) Sr4T(v)-SX4T(v) Sr4T(v)-SX4T(v) L(v) = LF4T(v) + v JL LX4T(v). (2.6)
В штатном режиме работы прибора на орбите объектом измерения является излучение атмосферы Земли на фоне подстилающей поверхности. При этом в качестве опорных источников, как правило, используются бортовое модуль калибровки (БМК, компактное черное тело с известной температурой), а также излучение холодного космоса. При наблюдении холодного космоса (Ткосм 4 К) входным излучением LX4T(v) можно заведомо пренебречь, и регистрируемый в этом случае спектр sKOCM (v) будет определяться только собственным излучением прибора L0(v). Система уравнений, аналогичная (2.4), следующая: SEMK(v) = K(v)\LEMK(v) + L (v) КОСМ SKUU"(y) = K(y)-Lb(y) (2.4,а) Выражения для спектральной чувствительности и собственного излучения, аналогичные (2.5): S S W Ш = ! У1. (2.5,а) LEMK(v) K(v) Наконец, выражение для СПЭЯ объекта наблюдения в случае, когда излучением одного из опорных источников можно пренебречь: f SATM(v)-(sKOCM(v)) } Емк LA (v) = Re -rz г-V -к U (v) (2.6а) Здесь Re{...} - оператор взятия действительной части, а запись (...) означает усреднение опорных спектров по N измерениям (для уменьшения радиометрического шума, раздел 2.2.4). Такой алгоритм калибровки исключает имеющуюся фазовую дисперсию прибора во всем спектральном диапазоне (раздел 2.2.2). Действительная часть получаемого калиброванного спектра соответствует истинному спектру излучения объекта наблюдения (атмосферы), а мнимая часть используется для определения пороговой спектральной яркости NESR(v). Кроме того, такой алгоритм позволяет уменьшить радиометрический шум в спектре в корень из двух раз по сравнению с методикой калибровки, оперирующей модулями измеряемых спектров [Морозов, 2006].
Анализ фазовых искажений в интерферограммах На практике измеряемые фурье-спектрометром двухсторонние ИФГ, определенные на дискретном множестве отсчетов, являются асимметричными функциями относительно центрального отсчета, соответствующего главному максимуму ИФГ и снятого вблизи положения НРХ. В результате фурье-преобразования такой ИФГ, по свойству преобразования Фурье от асимметричной функции, получаемый спектр является комплексным: S(v) = F {/( ) } = S{v)eim + n(v). (2.7) Здесь 1(х) - регистрируемая прибором ИФГ, ф(у) - фазовая функция, п(у) белый шум в спектре, F{] - оператор фурье-преобразования. Все причины асимметрии ИФГ можно классифицировать на два типа: - связанные с выборкой отсчетов интерферограммы (не зависят от волнового числа и приводят к линейному фазовому сдвигу); - связанные с частотно-зависимыми фазовыми задержками оптико-электронного тракта (приводят к наличию нелинейной фазовой функции). Соответственно, фазовую функцию можно представить в виде суммы линейной и нелинейной составляющей: ф(у) = 2жау+фнл(у). (2.8) Задача коррекции фазовой функции заключается в нахождении тем или иным способом оценки фазовой функции ф(у), после чего скорректированный спектр может быть вычислен следующим образом: S(V) = S(v)e ikv) = S(v)e (v) Hv) ) + n(v)e-ikv). (2.9) В случае точной оценки фазовой функции ф(у) = ф{у) действительная компонента скорректированного спектра содержит искомый спектр S(v) и аддитивный шум, а мнимая - лишь шумовую составляющую:
Разработка методики спектральной привязки непосредственно по измеряемым спектрам
Таким образом, требование к допустимой погрешности спектральной привязки сводится к точности знания длины волны излучения лазера референтного канала. В соответствии с п. 1.2 главы 1, требование к спектральной точности / фурье-спектрометров ТВЗА, как правило, составляет 1% от спектрального разрешения , т.е. примерно (l-5)10"6. Это означает, что при работе прибора на орбите неопределенность знания длины волны лазера референтного канала не должна превышать (1-5) Ю"6 РЕФ.
В качестве источника излучения референтного канала фурье-спектрометров среднего ИК-диапазона (3-15 мкм), как правило, используются лазерные диоды с распределенной обратной связью (РОС), излучающие вблизи 1,31 мкм (ИКФС-2, TANSO-FTS) или 1,55 мкм (IASI, CrIS). Благодаря РОС обеспечивается генерация одной продольной моды и, как следствие, высокая спектральная стабильность выходного излучения. Однако для полупроводниковых лазерных диодов характерна зависимость длины волны излучения от температуры, подлежащая исследованию для корректного учета при обработке.
Разработка методики коррекции зависимости длины волны излучения лазера референтного канала от температуры Одной из проблем спектральной привязки измерений фурье-спектрометра является нестабильность длины волны лазерного излучения. В частности, значение ХРЕФ зависит от температуры лазерного модуля, при этом стандартное значение температурного коэффициента ХРЕФ/дТ составляет порядка 0.1 нм/К, что с точки зрения спектральной привязки соответствует величине -60 ррт/К при ХРЕФ = (1.3-1.5) мкм. Следовательно, требование к точности стабилизации температуры лазерного излучателя (или, по крайней мере, к точности её измерения при последующем учете) при требовании / = 2ppm составляет -0.03 К.
Такая стабилизация температуры лазерного модуля может быть обеспечена, например, с помощью элемента Пельтье, однако в приборе ИКФС-2 такая система отсутствует. Более того, в ИКФС-2 отсутствует датчик температуры непосредственно излучателя лазерного модуля. Поэтому в ходе наземных испытаний исследовалась связь длины волны лазера от температуры основания модуля интерферометра (датчик ТМИї), измеряемой в непосредственной близости от места установки лазерного модуля.
Для летного образца аппаратуры ИКФС-2 были проведены наземные измерения спектров излучения атмосферы при наблюдении в зенит, при этом с течением времени температура прибора изменялась в интервале (20-26)С (Рисунок 3.1). Видно, что с уменьшением температуры прибора ТМИї шкала волновых чисел сжимается, что приводит к сдвигу линий пропорционально волновому числу (Рисунок 3.2).
Измеренные спектры атмосферы (в зенит), прошедшие этап радиометрической калибровки, при различных температурах прибора; справа – показания датчика температуры прибора ТМИ1 при измерениях атмосферы 0.055 Сдвиг линий 784 и 1198 см-1, вызванный температурным уходом длины волны излучения лазера референтного канала (величина сдвига пропорциональна волновому числу центра линии) Графики изменения положения центра линий 784 см-1 (слева) и 1198 см-1 (справа) со временем, вызванные зависимостью длины волны излучения лазера референтного канала от температуры представлено смещение положения центра линий 784 см-1 и 1198 см-1 со временем, коррелирующее с изменением температуры прибора ТМИ1 (Рисунок 3.1 справа).
С использованием выражения (3.1) можно пересчитать изменение длины волны лазера референтного канала за время измерений: ЛРЕФ = . Результаты, Nvi представленные на Рисунке 3.4, показывают, что температурные зависимости длины волны излучения лазера референтного канала, полученные на основе измерения смещения центра линий 784 и 1198 см1, практически совпадают и близки к линейным. Значение РЕФ/T составило величину 0.08 нм/К, что хорошо согласуется с заявленным производителем лазерного модуля значением 0.07 нм/К.
Таким образом, проведенные измерения, во-первых, подтвердили линейную зависимость длины волны излучения лазера референтного канала от температуры и значение температурного коэффициента РЕФ/T, а во-вторых, свидетельствуют о хорошей тепловой связи между основанием модуля интерферометра (датчик ТМИ1) и температурой лазерного излучателя. Качественно это подтверждается проведенными расчетами теплового режима прибора на орбите (Рисунок 3.5). Тем не менее, отсутствие датчика температуры непосредственно лазерного излучателя – потенциально слабое место данной методики, поскольку корректный учет тепловых связей в расчетной тепловой модели для орбитальных условий представляет трудную задачу.
Таким образом, на первом этапе спектральной привязки измеряемых спектров к шкале волновых чисел следует осуществлять коррекцию температурного ухода длины волны лазера референтного канала. При этом важно отметить, что стабильность длины волны референтного лазера не гарантирует в полной мере требуемой точности спектральной привязки: изменение теплового состояния прибора может приводить к разъюстировке оптических осей основного и референтного канала фурье-спектрометра, что также повлечет за собой ошибку в формировании шкалы волновых чисел. Кроме того, при работе любого лазерного диода имеет место уход длины волны со временем, например, вследствие эффекта старения. Поэтому требуется предусмотреть дополнительные меры по контролю состояния спектральной привязки в измеряемых спектрах и её уточнению.
В методике, предлагаемой для обеспечения точной привязки измеряемых спектров к шкале волновых чисел, анализируется положение выбранного набора линий непосредственно в измеряемых спектрах. Например, в качестве таковых могут быть выбраны линии CO2 или H2O. При этом можно вычислить корреляцию наблюдаемого и расчетного спектров в выбранном спектральном поддиапазоне и определить то значение РЕФ , при котором корреляционная функция имеет максимум.
В качестве опорных (расчетных) спектров могут быть использованы спектры исходящего излучения, соответствующие климатически репрезентативным атмосферным условиям или вычисленные с учетом имеющейся априорной информации. Ключевые моменты при разработке данной методики следующие: 1) выбор спектрального поддиапазона, по которому следует проводить оценку привязки; 2) выбор оценочной функции, чувствительной к уходу спектральной привязки; 3) определение (вычисление) опорного спектра для проведения привязки. При выборе спектрального поддиапазона следует учитывать следующие факторы: A) спектральные признаки (совокупность линий), по которым проводится оценка, должны присутствовать и быть характерны для большинства из множества возможных спектров атмосферы; Б) соотношение амплитуды спектральных признаков (контраста) должно существенно превышать уровень радиометрического шума NESR в этом поддиапазоне; B) выбранный спектральный поддиапазон должен обладать малой чувствитель ностью к неточности априорной информации при расчете опорного спектра; Г) поскольку абсолютное значение спектрального сдвига пропорционально волновому числу, то в этом смысле при прочих равных условиях предпочтительным является использование спектрального поддиапазона с большими волновыми числами; например, поддиапазон вблизи 1400 см-1 является в 2 раза более чувствительным к абсолютному спектральному сдвигу, чем поддиапазон вблизи 700 см-1.
В качестве рабочего был выбран спектральный поддиапазон (721-741) см-1 в полосе поглощения CO2 (Рисунок 3.6), для которого характерна выраженная модуляция СПЭЯ по спектру, а также малый радиометрический шум NESR порядка 0.15 мВт/(м2срсм-1) для прибора ИКФС-2.
Сопоставление измерений ИКФС-2 и европейского фурье-спектрометра IASI (спутник MetOp)
Как было указано в параграфе 3.1, для обеспечения высокоточной спектральной привязки измерений ИКФС-2 (на уровне / 210-6, т.е. 2 ppm) требуется точное знание длины волны излучения лазера референтного канала (см. выражение (3.2)). При этом известно, что длина волны лазера (реф 1310.2 нм), во-первых, зависит от температуры лазерного модуля, а во-вторых, может иметь временной уход (дрейф) из-за различных эффектов, например, старения. Температурная зависимость была исследована на этапе наземных испытаний и является линейной (Рисунок 3.4), при этом коэффициент реф/T составил 0.08 нм/К, что с точки зрения спектральной привязки соответствует величине ppm/К. Таким образом, для обеспечения требования к точности спектральной привязки /, равного 210-6 (2 ppm), требуется отрабатывать колебания температуры лазерного излучателя на уровне сотых долей градуса.
Первоначальная методика спектральной привязки заключалась в следующем: 1) температурная зависимость реф(Т) учитывалась в программном комплексе первичной обработки данных ИКФС-2 при получении калиброванных спектров атмосферы; при этом из-за отсутствия датчика температуры лазера колебания температуры лазерного излучателя отождествлялись с колебаниями температуры основания модуля интерферометра (датчик ТМИ1, расположенный в непосредственной близости от лазерного модуля); 2) коррекция долгосрочного временного ухода реф(t) осуществлялась путем сравнения усредненного за полусуточный файл спектра атмосферы с аналогичным опорным (привязанным по внешним данным) в диапазоне (722-740) см-1. Поскольку полусуточный файл охватывает несколько витков (от 6 до 8) и включает от 55 до 75 тысяч спектров, соответствующих самым разным состояниям атмосферам, то усредненный по всему файлу спектр мало отличается от файла к файлу как по радиометрическому уровню, так и по спектральным «особенностям» (Рисунок 4.1).
Примечание ( ). В качестве опорных внешних данных использовались данные аэрологического радиозондирования, на основании которых выполнялся прямой расчет спектров исходящего излучения атмосферы с учетом спектральной сетки и разрешения ИКФС-2.
Усредненные по полусуточным файлам спектры атмосферы: вверху – длинноволновый диапазон (660-1210) см-1, внизу – поддиапазон (722-740) см-1, по которому осуществляется спектральная привязка При проведении коррекции текущий и опорный (привязанный по внешним данным) усредненные спектры в диапазоне (722-740) см-1 пересчитывались на сетку с малым шагом (порядка 0.001 см-1) с использованием интерполяционной формулы Котельникова, после чего смещались друг относительно друга «влево-вправо» на несколько отсчетов, и для каждого из положений вычислялась оценочная функция вида (3.3,а), по положению минимума которой согласно (3.4) определялись текущие значения спектральной привязки и длины волны лазера референтного канала. Если полученное значение / превышало величину (1-2) ppm, то спектры пересчитывались для новой длиной волны лазера реф. В целом, данная методика хорошо зарекомендовала себя, особенно в условиях отсутствия колебаний температуры модуля интерферометра (Рисунок 4.2).
Показания датчика температуры ТМИ1 основания модуля интерферометра (слева) и анализ спектральной привязки ИКФС-2 по синхронным измерениям IASI (справа) за полусуточный файл 5-6 февраля (витки 3012-3020); видно, что при стабильном поддержании ТМИ1 погрешность спектральной привязки не превышает 2 ppm
Однако в условиях штатной работы прибора на орбите также имели место ситуации, когда колебания температуры модуля интерферометра за виток достигали 0.25 К (Рисунок 4.3). Для таких случаев результаты сопоставления с внешними данными (измерениями IASI) показали наличие погрешности спектральной калибровки размахом до 15 ppm, проявляющейся в виде «всплесков» в спектральных линиях (Рисунок 4.4), существенно превышающих уровень радиометрического шума.