Инфракрасный интерферометр зондирования атмосферы (IASI) представляет собой спектрометр с преобразованием Фурье , основанный на интерферометре Майкельсона , связанный с интегрированной системой визуализации (IIS). [1]
В качестве части полезной нагрузки серии полярно -орбитальных метеорологических спутников MetOp в настоящее время эксплуатируются два прибора IASI: MetOp-A (запущен 19 октября 2006 года, окончание миссии — ноябрь 2021 года), Metop-B (запущен 17 сентября 2012 года) и Metop-C, запущенный в ноябре 2018 года. [2]
IASI — это прибор для наблюдения в надире, регистрирующий спектры инфракрасного излучения от 645 до 2760 см −1 с разрешением 0,25 см −1 (0,5 см −1 после аподизации ). Хотя в первую очередь он предназначен для предоставления информации в режиме, близком к реальному времени, о температуре атмосферы и водяном паре для поддержки прогнозирования погоды , концентрации различных газовых примесей также могут быть получены из спектров.
IASI относится к классу тепловых инфракрасных (TIR) космических приборов, предназначенных для дистанционного зондирования тропосферы . С точки зрения эксплуатации IASA является заменой приборов HIRS, тогда как с научной точки зрения он продолжает миссию приборов, предназначенных для изучения состава атмосферы, которые также являются приборами для наблюдения в надир, приборами преобразования Фурье (например, эксперимент по химии атмосферы). Таким образом, он сочетает в себе требования, предъявляемые как метеорологией (высокий пространственный охват), так и химией атмосферы (точность и вертикальная информация для газовых примесей). [3] Разработанный Национальным центром космических исследований , он теперь сочетает в себе хороший горизонтальный охват и умеренное спектральное разрешение. [3] Его аналогом на АЭС Суоми является инфракрасный зонд Cross-track (CrIS).
В соответствии с соглашением между CNES и EUMETSAT (Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников) , первая отвечала за разработку инструмента и программного обеспечения для обработки данных. Последняя отвечала за архивирование и распространение данных среди пользователей, а также за эксплуатацию самого IASI. [4] [5] В настоящее время Alcatel Space является генеральным подрядчиком проекта и контролирует производство повторяющихся моделей. [5]
Спектральный диапазон IASI выбран таким образом, чтобы прибор мог регистрировать данные из следующих диапазонов: [3]
Таким образом, спектральный диапазон IASI составляет 645 – 2760 см −1 (15,5 – 3,62 мкм). Он имеет 8461 спектральных образцов, которые выровнены в 3 полосы в пределах спектрального диапазона, показанного в таблице ниже. Соответственно, спектральное разрешение, при котором производятся измерения, составляет 0,5 см −1 . [3] [6]
Каждая полоса имеет определенное назначение, как показано в следующей таблице: [5]
Как система сканирования поперек траектории , IASI имеет диапазон сканирования 48°20′ по обе стороны от направления надира ; соответствующая полоса обзора составляет около 2×1100 км. Здесь, по отношению к направлению полета MetOp, сканирование, выполняемое IASI, начинается слева.
Кроме того, номинальная линия сканирования имеет три цели, которые она должна покрыть. Во-первых, сканирование Земли, где в пределах каждого шага есть 30 (15 в каждой ветви 48°20′) позиций, в которых производятся измерения. В дополнение к этому, два вида, предназначенные для калибровки - в дальнейшем они будут называться опорными видами . Один из двух направлен в глубокий космос (холодный опорный), в то время как другой наблюдает за внутренним черным телом (горячий опорный). [1]
Элементарное (или эффективное) поле зрения (EFOV) определяется как полезное поле зрения в каждой позиции сканирования. Каждый такой элемент состоит из круглой пиксельной матрицы 2×2 того, что называется мгновенными полями зрения (IFOV) . Каждый из четырех пикселей, проецируемых на землю, является круглым и имеет диаметр 12 км в надире. [1] Форма IFOV на краю линии сканирования больше не круглая: поперек пути она составляет 39 км, а вдоль пути — 20 км. [6]
Наконец, поле зрения IIS представляет собой квадратную область, сторона которой имеет угловую ширину 59,63 мрад. В этой области находится 64×64 пикселя, и они измеряют ту же область, что и EFOV выше. [1]
Инструмент IASI производит около 1 300 000 спектров каждый день. IASI требуется около 8 секунд, чтобы получить данные с одного полного поперечного трека и бортовой калибровки. Первый состоит из 120 интерферограмм, каждая из которых соответствует одному пикселю. [3] Конечно, поскольку исследователи действительно заинтересованы в спектрах, данные, собранные IASI, должны пройти несколько стадий обработки. [7]
Кроме того, IASI имеет выделенную скорость передачи данных 1,5 мегабит (Мб) в секунду. Однако скорость производства данных составляет 45 Мбит/с, и поэтому большая часть обработки данных устанавливается на борту. Таким образом, передаваемые данные представляют собой закодированный спектр, который объединен в полосы и грубо откалиброван. [7]
Кроме того, существует офлайновая цепочка обработки, расположенная в Центре технической экспертизы , также называемом TEC. Ее задача — контролировать производительность прибора, вычислять параметры инициализации уровня 0 и 1 относительно предыдущей точки и вычислять долгосрочные изменяющиеся продукты IASI, а также контролировать обработку в режиме близком к реальному времени (NTR) (т. е. уровни 0 и 1). [7]
Существует три таких уровня обработки данных IASI, пронумерованных от 0 до 2. Во-первых, данные уровня 0 предоставляют необработанные выходные данные детекторов, которые уровень 1 преобразует в спектры, применяя БПФ и необходимые калибровки, и, наконец, уровень 2 выполняет методы извлечения, чтобы описать физическое состояние наблюдаемой атмосферы.
Первые два уровня предназначены для преобразования интерферограмм в спектры, которые полностью откалиброваны и не зависят от состояния инструмента в любой момент времени. В отличие от этого, третий уровень предназначен для извлечения значимых параметров не только из IASI, но и из других инструментов MetOp. [7]
Например, поскольку ожидается, что прибор будет линейным по энергии, коррекция нелинейности применяется к интерферограммам перед вычислением спектров. Затем два опорных вида используются для первого шага радиометрической калибровки. Второй шаг, выполняемый на земле, используется для компенсации определенных физических эффектов, которые были проигнорированы на первом (например, коррекция падения для сканирующего зеркала, эффект нечерноты и т. д.). [7]
Подсистема цифровой обработки выполняет радиометрическую калибровку и обратное преобразование Фурье для получения необработанных спектров . [7]
Основная цель обработки уровня 0 — снизить скорость передачи данных путем калибровки спектров с точки зрения радиометрии и объединения спектральных полос. Это разделено на три подцепи обработки: [7]
Уровень 1 делится на три подуровня. Его главная цель — дать наилучшую оценку геометрии интерферометра во время измерения. Несколько параметров модели оценки вычисляются цепочкой обработки TEC и служат входными данными для оценок уровня 1. [7]
Модель оценки используется в качестве основы для вычисления более точной модели путем вычисления соответствующих спектральных калибровочных и аподизационных функций. Это позволяет удалить всю спектральную изменчивость измерений. [7]
Этот уровень связан с получением геофизических параметров из измерений яркости: [1]
Процессы здесь выполняются синергетически с использованием набора инструментов ATOVS, AVHRR и прогностических данных численного прогноза погоды. [1]
Некоторые исследователи предпочитают использовать собственные алгоритмы поиска, которые обрабатывают данные уровня 1, в то время как другие используют непосредственно данные IASI уровня 2. Существует несколько алгоритмов для получения данных уровня 2, которые различаются по своим предположениям и формулировкам и, следовательно, будут иметь разные сильные и слабые стороны (которые могут быть исследованы с помощью сравнительных исследований). Выбор алгоритма определяется знанием этих ограничений, доступных ресурсов и специфических особенностей атмосферы, которые необходимо исследовать. [ необходима цитата ]
В целом алгоритмы основаны на оптимальном методе оценки . По сути, это включает сравнение измеренных спектров с априорным спектром. Затем априорная модель загрязняется определенным количеством элемента, который требуется измерить (например, SO2 ) , и полученные спектры снова сравниваются с измеренными. Процесс повторяется снова и снова, цель состоит в том, чтобы отрегулировать количество загрязняющих веществ таким образом, чтобы смоделированный спектр максимально напоминал измеренный. Следует отметить, что при возмущении априорных данных необходимо учитывать различные ошибки, такие как ошибка априорных данных, инструментальная ошибка или ожидаемая ошибка. [8]
В качестве альтернативы данные IASI Level 1 могут быть обработаны с помощью алгоритмов наименьших квадратов . Опять же, ожидаемая ошибка должна быть принята во внимание [ необходима цитата ] .
Основная структура IASI состоит из 6 сэндвич-панелей , которые имеют алюминиевый сотовый сердечник и оболочки из цианата углерода. Из них та, которая поддерживает оптические подузлы, электронику и механизмы, называется главной панелью . [1] [9]
Тепловая архитектура прибора была спроектирована так, чтобы разделить IASI на независимые корпуса, оптимизируя конструкцию каждого такого корпуса в частности. Например, оптические компоненты можно найти в закрытом объеме, содержащем только низкодиссипативные элементы, в то время как кубические уголки являются внешними по отношению к этому объему. Кроме того, корпус, который содержит интерферометр, почти полностью отделен от остальной части инструмента многослойной изоляцией (MLI) . Это определяет очень хорошую термическую стабильность оптики интерферометра: временные и пространственные градиенты составляют менее 1 °C, что важно для производительности радиометрической калибровки. Кроме того, другое оборудование либо запечатано в специальные корпуса, такие как диссипативная электроника, лазерные источники, либо термически контролируется через секцию термического контроля основной конструкции, например, механизмы сканирования или черное тело. [9]
При входе в интерферометр свет встретится со следующими приборами: [5]
Для снижения фонового шума прибора и термоэлектронного детектора температура холодного ящика поддерживается на уровне 93 К с помощью пассивного криогенного охладителя. [9] Этому предпочли криогенную машину из-за того, что уровни вибрации последней могут потенциально вызывать ухудшение спектрального качества. [4] [5]
Накопление льда на оптических поверхностях определяет потерю передачи. Для того чтобы снизить чувствительность IASI к загрязнению льдом, эмиссионные полости были дополнены двумя ровными отверстиями.
Кроме того, необходимо было обеспечить защиту холодной оптики от остаточных загрязнений. Для этого были проведены улучшения герметизации (сильфоны и соединения).
IASI в Европейском космическом агентстве
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )