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 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 методики спектральной 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 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
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
- Погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале
- Уравнение радиометрической калибровки
- Разработка методики коррекции зависимости длины волны излучения лазера референтного канала от температуры
- Сопоставление измерений ИКФС-2 и радиометра SEVIRI (спутник Meteosat-10)
Введение к работе
Актуальность работы. Терагерцовая область электромагнитного спектра
расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот –
между и ТГц. Терагерцовое излучение является неионизирующим.
Частотная зависимость терагерцовой диэлектрической проницаемости несет
информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных
свойствах конденсированных сред, в том числе сильно поглощающих.
Отмеченные свойства терагерцового излучения делают терагерцовую
оптотехнику перспективным инструментом решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач, в том числе в химии, материаловедении, биологии и медицине. Однако из-за сильного поглощения водой терагерцовое излучение не может проникать глубоко в организм человека, поэтому его использование для неинвазивной диагностики заболеваний внутренних органов не представляется возможным. Тем не менее оно может применяться для изучения эпителиальных тканей организма, а также в целях интраоперационной диагностики биологических тканей, несмотря на то, что они относятся к сильно поглощающим терагерцовое излучение средам.
Исследования, направленные на разработку методов определения диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей, ведутся рядом научных коллективов. Лидерами в рассматриваемой области являются группы исследователей из Университета Кембриджа, Университетского колледжа Лондона, Университета Райса, Китайского университета Гонконга, Университета Западной Австралии, Брауновского университета, Нагойского университета, Токийского университета и организации TeraView Ltd. Перечисленными научными группами предложены методы определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей в терагерцовом диапазоне частот и показана возможность их использования для неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной диагностики различных заболеваний.
Существующие методы и аппаратура для регистрации комплексной
диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред в терагерцовой
области спектра характеризуются достаточно большими погрешностями
измерений. Нерешенной остается задача разработки волноводов и
эндоскопических систем, обеспечивающих передачу терагерцового излучения к труднодоступным объектам исследований. Зачастую это делает невозможным дифференциацию биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии на основе анализа их комплексной диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне частот. В этой связи тема диссертации, посвященная разработке нового метода исследований диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей с помощью терагерцовой спектроскопии, представляется весьма актуальной.
Цель диссертации - разработка метода и аппаратуры терагерцовой импульсной спектроскопии для исследования комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.
Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
разработан метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии;
разработан сапфировый фотонно-кристаллический волновод для передачи терагерцового излучения спектрометра к объекту исследования;
создан экспериментальный комплекс для исследования диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo в терагерцовом диапазоне;
экспериментально показано, что разработанный метод обеспечивает погрешность измерений, достаточную для дифференциации биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии. Объектом исследования является поле электромагнитного излучения
терагерцового диапазона частот.
Предметом исследования является метод восстановления комплексной диэлектрической проницаемости образца в терагерцовом диапазоне частот.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы физической оптики, вычислительной электродинамики, цифровой обработки сигналов, теории оптических систем и диэлектрической спектроскопии.
Научная новизна исследований заключается в том, что:
показано, что разработанный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей обеспечивает погрешность, не превышающую в спектральном диапазоне от до ТГц;
установлено, что сапфировый фотонно-кристаллический волновод обеспечивает потери до дБ/м и характеризуется низкой дисперсией в спектральном диапазоне от до ТГц.
Положения, выносимые на защиту
Разработанный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред, основанный на использовании двух опорных сигналов, позволяет исключить ошибку оценки диэлектрических характеристик, вызванную эффектом многолучевой интерференции излучения в опорном окне, позади которого фиксируется исследуемый образец.
Для передачи терагерцового излучения к объекту исследования следует использовать фотонно-кристаллический волновод, изготовленный из сапфира и обеспечивающий потери до 2,0 дБ/м и низкую дисперсию в спектральном диапазоне от до ТГц.
Обеспечиваемая разработанным методом определения диэлектрической
проницаемости погрешность, не превышающая в спектральном
диапазоне от до ТГц, достаточна для дифференциации
биологическких тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии
патологии.
Практическая ценность работы. Разработанный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред в терагерцовом диапазоне может быть использован для исследования физических свойств сильно-поглощающих конденсированных сред в научно-исследовательских лабораториях, для создания методов неразрушающего контроля композиционных материалов и керамик на предприятиях, производящих конструкционные материалы, для регистрации и систематизации диэлектрических характеристик биологических тканей в профильных медицинских учреждениях. По оценкам специалистов, предложенный метод анализа терагерцовой комплексной диэлектрической проницаемости пигментных невусов кожи может использоваться для создания новых методов диагностики диспластических невусов и меланомы кожи in situ.
Сапфировые фотонно-кристаллические волноводы могут быть применены для передачи терагерцового излучения к объекту исследования при проведении медицинской диагностики заболеваний и неразрушающего контроля материалов.
Достоверность результатов основана на корректном рассмотрении исследуемых физических процессов, использовании правомерных допущений, корректном применении методов исследования, а также на соответствии результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертации использованы в Институте физики твердого тела Российской академии наук, Первом Московском государственном медицинском университете имени И.М. Сеченова, в учебном процессе кафедры лазерных и оптико-электронных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана. Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на 18 международных научных мероприятиях, в том числе: The 3rd Russia-Japan-USA Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies RJUS TeraTech-2014 (Баффало, США, 2014 г.); The 23th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies ALT 15 (Фаро, Португалия, 2015 г.); The 1st BRICS Conference on Photonics 2016 (Москва, Россия, 2016 г.); 17th International Conference «Laser Optics 2016» (Санкт-Петербург, Россия, 2016 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 статьях в научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литературы. Материал изложен на 164 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 344 источников.
Погрешность привязки к абсолютной энергетической шкале
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 Рисунок 1.5. Суточное покрытие земной поверхности прибором ИКФС-2 в режиме полосы обзора 1000 км (слева) и 2500 км (справа)
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.
Погрешность спектральной привязки к шкале волновых чисел Для фурье-спектрометра спектральная привязка измерений к шкале волновых чисел определяется с учетом шага дискретизации ИФГ x по ОРХ. Сетка спектральных отсчетов, полученных в результате фурье-преобразования дискретной ИФГ, определяется выражением:
Вследствие этого погрешность знания частоты дискретизации ИФГ vS будет приводить к погрешности положения спектральных отсчетов vi на оси волновых чисел. Поскольку частота дискретизации S играет роль масштабирующего множителя, фактическая сетка спектральных отсчетов при наличии vS будет либо растянута, либо сжата, и сдвиг положения центра линии будет увеличиваться пропорционально росту волнового числа линии. В связи с этим требование к точности спектральной привязки фурье-спектрометра принято задавать в относительных единицах /.
Погрешность положения спектральных отсчетов на шкале волновых чисел можно рассматривать как дополнительный источник радиометрической ошибки. Оценим влияние погрешности спектральной привязки, определив её вклад в радиометрическую погрешность. Для этого воспользуемся прямыми расчетами исходящего спектрального излучения, выполненными для стандартных моделей атмосферы (Рисунок 1.8). При этом, не нарушая общности, примем форму аппаратной функции гауссовой с полушириной 0.5 см-1.
Уравнение радиометрической калибровки
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].
Разработка методики коррекции зависимости длины волны излучения лазера референтного канала от температуры
Описание криогенно-вакуумного стенда радиометрической калибровки Для проведения радиометрической калибровки инфракрасной аппаратуры в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» создан специальный стенд на основе стенда тепловакуумных испытаний (СТВИ) (Рисунок 2.8).
Вакуумная камера снабжена форвакуумными и паромасляными насосами, которые позволяют добиться требуемого давления внутри камеры, а также криогенными экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Криогенные экраны, во-первых, необходимы при имитации теплового режима на орбите, а во-вторых, позволяют минимизировать образование конденсата на холодных элементах аппаратуры, в особенности - на приемнике излучения. Давление в вакуумной камере во время калибровочных испытаний поддерживается на уровне 10-4 мм рт.ст., температура азотных экранов (80-100) К.
Стенд тепловакуумных испытаний ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» Оптико-механический блок прибора устанавливается в тяговом подвесе внутри вакуумной камеры (Рисунок 2.9). Напротив, также в подвесе, устанавливается рабочая модель АЧТ (далее «горячее» черное тело (ГЧТ)), а также «холодное» черное тело (ХЧТ), имитирующее наблюдение холодного космоса. С помощью термостата, использующего в качестве теплоносителя тосол, можно точно задавать температуру ГЧТ в диапазоне от -25 до +50С. Для захолаживания ХЧТ используется жидкий азот. Захолаживание фотоприемника, в штатных условиях осуществляемое радиационным холодильником, при наземных испытаниях также обеспечивается подачей жидкого азота в термостат ФП по проточной схеме с помощью баллона XRP-30S, позволяющего точно регулировать величину избыточного давления.
Для обеспечения требуемых температур прибора (ТОМБ =15,20,23оС ), предусмотренных при штатной эксплуатации на орбите, оптико-механический блок монтируется внутри нагревательных панелей, каждая из которых имеет пленочные нагреватели и датчики температуры для обеспечения быстрого выхода на требуемый температурный режим и термостатирования прибора.
Модуль электроники (МЭ) вместе с контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) для управления прибором и регистрации информации устанавливаются снаружи камеры. Температуры ФП, модуля интерферометра, ГЧТ и ХЧТ регистрируются с помощью многоканального измерителя температуры МИТ-8.
Источник излучения (ГЧТ), по которому калибруется аппаратура ИКФС-2 – высокоточная модель абсолютно черного тела, представляющая собой полостное черное тело с апертурой 100 мм. К внешней поверхности цилиндра припаяны трубки, по которым циркулирует теплоноситель. Для измерения температуры ГЧТ имеются прецизионные платиновые термометры сопротивления. Максимальная неизотермичность дна не превышает 0.04 К, боковой поверхности – не более 0.1 К. Эффективная степень черноты с учетом полученной неизотермичности выше 0.996. Схематично эталонный источник излучения представлен на
Модель ХЧТ (Рисунок 2.10 справа) представляет собой полостное черное тело с апертурой 150 мм. Стенки полости – двойные, выполнены из стали Х18Н9Т и заливаются жидким азотом. Днище ХЧТ представляет из себя узел, состоящий из двух монолитных медных плит, плотно соединенных между собой. Внутренняя часть днища выполнена в виде системы концентрических колец. Внешняя сторона днища охлаждается жидким азотом. Для захолаживания жидким азотом и удаления образовавшейся при этом газообразной фазы разработана специальная схема прокачки азота, которая позволяет обеспечить равномерное поле температур ( 80 К) по всей внутренней полости ХЧТ. Контроль температуры осуществляется за счет установленных на днище двух пленочных термометров ТМ-344. В полости между холодным внутренним корпусом и теплым кожухом для уменьшения теплопритоков снаружи располагается экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). Для увеличения степени черноты внутренняя полость ХЧТ покрывается черной эмалью. Степень черноты данного черного тела в диапазоне длин волн 5-15 мкм составляет не менее 0,98.
Таким образом, радиометрическая калибровка фурье-спектрометра осуществляется путем регистрации интерферограмм при наблюдении высокоточной рабочей модели АЧТ, температура которого изменяется в диапазоне от -25 до 50С. В качестве опорных источников используются бортовой модуль калибровки (ТБМК = 40оС ) и ХЧТ (ТХЧТ =80К ), имитирующее наблюдение холодного космоса.
Цикл измерений включает в себя последовательную запись интерферограмм эталонного (ГЧТ) черного тела, бортового модуля калибровки (БМК) и «холодного» черного тела, моделирующего наблюдение космоса, при различных температурах ГЧТ. Кроме того, такие циклы проводятся при различных температурах прибора: ТПРИБ =15,20,23оС .
Сопоставление измерений ИКФС-2 и радиометра SEVIRI (спутник Meteosat-10)
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. Рисунок 3.6. Ансамбль возможных реализаций СПЭЯ атмосферы в спектральном поддиапазоне (721-741) см-1 p-ветви полосы поглощения СО2 При выборе оценочной функции следует учитывать, с одной стороны, её чувствительность к спектральному сдвигу, а с другой – чувствительность к радиометрическому шуму. В качестве оценочной функции была выбрана сумма квадратов разностей между измеренным и опорным спектрами, вычисленная по спектральным отсчетам внутри выбранного спектрального поддиапазона:
Поскольку положение спектральных отсчетов измеренного спектра зависит от длины волны лазера референтного канала, то минимум оценочной функции должен соответствовать искомому значению РЕФ. На практике текущий и опорный спектры в выбранном спектральном поддиапазоне интерполируются на сетку с малым шагом (порядка 0.001 см-1), после чего смещаются друг относительно друга «влево-вправо» на несколько отсчетов, и для каждого из положений вычисляется оценочная функция вида: MF(Av ) = Y(L(V. -Av.)- Uv.))2 (3.3а) На Рисунке 3.7 представлен пример оценочной функции при наличии спектрального сдвига в 0.002 см-1, эквивалентного 3 ppm (=0.002/731). По спектральному сдвигу jmin, соответствующему минимуму оценочной функции (3.3,а), определяется текущие значение относительного спектрального сдвига и длины волны лазера референтного канала:
Характерный вид оценочной функции (1.2) при наличии спектрального сдвига 0.002 см-1, эквивалентного 3ppm Проблема реализации данного метода оценки спектральной привязки по индивидуальным спектрам атмосферы заключается в выборе опорного (расчетного) спектра. Измеренный и опорный спектры должны соответствовать одному и тому же состоянию атмосферы (или близким), иначе положение минимума оценочной функции (3.3) и, следовательно, оценка РЕФ могут быть смещенными. Однако для коррекции медленного (долгосрочного) ухода спектральной привязки оценку РЕФ можно производить по усредненному спектру атмосферы, например, за один или несколько витков. При этом вариации между такими усредненными спектрами будут незначительными как по радиометрическому уровню, так и по спектральным особенностям.
Результаты спектральной привязки по данной методике на примере летных измерений фурье-спектрометра ИКФС-2 представлены в параграфе 4.1.
Аппаратной функцией (АФ) спектрального прибора является отклик на входное монохроматическое излучение. В зарубежной литературе для АФ принято обозначение ILS (Instrument Line Shape), а также ISRF (Instrument Spectral Response Function). Существует множество работ, посвященных исследованию факторов, влияющих на форму аппаратной функции фурье-спектрометра, среди которых диапазон изменения ОРХ и функция аподизации; угловые размеры, форма и положение чувствительных площадок ФП; дифракция на входном зрачке; продольная дефокусировка ФП; аберрации входного телескопа; разъюстировка интерферометра; нестабильность скорости изменения ОРХ за время съема ИФГ и др. Влияние перечисленных факторов АФ проявляется в её уширении (ухудшении спектрального разрешения), асимметричности формы, смещении максимума в сторону уменьшения волновых чисел и появлении мнимой части. Кроме того, форма АФ становится зависящей от волнового числа входного излучения: ILS(v;v0). При этом для успешного решения задач ТВЗА необходима характеризация (определение) формы АФ во всем рабочем спектральном диапазоне, что является трудной задачей в условиях отсутствия технической возможности непосредственного измерения АФ во всем широком диапазоне волновых чисел.
В настоящем разделе рассмотрены основные факторы, влияющие на форму АФ, при этом конечной целью является характеризация формы АФ прибора ИКФС-2 во всем спектральном диапазоне (5-15) мкм на основе измерения АФ для квазимонохроматических лазерных источников.