Инфракрасный интерферометр зондирования атмосферы (IASI) представляет собой спектрометр с преобразованием Фурье на основе интерферометра Майкельсона , связанный с интегрированной системой формирования изображения (IIS). [1]
В составе полезной нагрузки серии полярно-орбитальных метеорологических спутников MetOp в настоящее время работают два прибора IASI: на MetOp-A (запущен 19 октября 2006 г. с окончанием миссии в ноябре 2021 г.), на Metop-B (запущен 17 сентябрь 2012 г.), а Metop-C запущен в ноябре 2018 г. [2]
IASI представляет собой прибор для наблюдения в надире, записывающий 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 почти в реальном времени об атмосферной температуре и водяном паре для прогнозирования погоды , концентрации различных газовых примесей также можно получить из спектров.
IASI принадлежит к классу космических приборов теплового инфракрасного диапазона (TIR), предназначенных для дистанционного зондирования тропосферы . С оперативной стороны IASA является заменой инструментов HIRS, тогда как с научной стороны он продолжает миссию инструментов, посвященных составу атмосферы, которые также являются приборами для наблюдения за надиром и инструментами преобразования Фурье (например, «Эксперимент по химии атмосферы»). Таким образом, он сочетает в себе требования, предъявляемые как метеорологией (большой пространственный охват), так и химией атмосферы (точность и вертикальная информация для малых газовых примесей). [3] Разработанный Национальным центром пространственных исследований , он теперь сочетает в себе хороший горизонтальный охват и умеренное спектральное разрешение. [3] Его аналогом на АЭС Суоми является перекрестный инфракрасный зонд (CrIS).
По соглашению между CNES и EUMETSAT (Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников) первая отвечала за разработку приборов и программного обеспечения для обработки данных. Последний отвечает за архивирование и распространение данных среди пользователей, а также за работу самого IASI. [4] [5] В настоящее время Alcatel Space является генеральным подрядчиком проекта и контролирует производство повторяющихся моделей. [5]
Спектральный диапазон IASI был выбран таким образом, чтобы прибор мог регистрировать данные из следующих диапазонов: [3]
Таким образом, спектральный диапазон ИАСИ составляет 645–2760 см –1 (15,5–3,62 мкм). Он имеет 8461 спектральный образец, которые выровнены по 3 полосам в пределах спектрального диапазона, показанного в таблице ниже. Соответственно, спектральное разрешение, при котором проводятся измерения, составляет 0,5 см -1 . [3] [6]
Каждый диапазон имеет определенное назначение, как показано в следующей таблице: [5]
В качестве системы поперечного сканирования IASI имеет диапазон сканирования 48 ° 20 'по обе стороны от направления надира ; тогда соответствующая полоса обзора составит около 2×1100 км. Здесь, относительно направления полета MetOp, сканирование, выполняемое IASI, начинается слева.
Кроме того, номинальная линия сканирования имеет три цели, которые она должна покрыть. Во-первых, сканирование Земли, где на каждом шаге имеется 30 (по 15 в каждой ветви 48°20′) позиций, в которых проводятся измерения. Кроме того, есть два вида, посвященные калибровке — в дальнейшем они будут называться эталонными видами . Один из двух направлен в глубокий космос (холодный эталон), а другой наблюдает за внутренним черным телом (горячий эталон). [1]
Элементарное (или эффективное) поле зрения (EFOV) определяется как полезное поле зрения в каждой позиции сканирования. Каждый такой элемент состоит из круглой пиксельной матрицы размером 2×2 так называемого мгновенного поля зрения (IFOV) . Каждый из четырех пикселей, проецируемых на землю, имеет круглую форму и диаметр в надире 12 км. [1] Форма IFOV на краю линии сканирования больше не является круглой: его длина поперек пути составляет 39 км, а вдоль пути — 20 км. [6]
Наконец, поле зрения ИИС представляет собой квадратную область, сторона которой имеет угловую ширину 59,63 мрад. Внутри этой области находятся 64×64 пикселей, и они имеют ту же площадь, что и EFOV выше. [1]
Прибор IASI производит около 1 300 000 спектров каждый день. IASI требуется около 8 секунд для сбора данных с одного полного пути 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 этапов обработки. [7]
Кроме того, IASI имеет выделенную скорость передачи данных 1,5 Мегабит (МБ) в секунду. Однако скорость передачи данных составляет 45 Мбит/с, поэтому большая часть обработки данных будет выполняться на борту. По сути, передаваемые данные представляют собой закодированный спектр, объединенный по полосам и грубо откалиброванный. [7]
Кроме того, в Центре технической экспертизы , также называемом ТЭК, имеется автономная цепочка обработки . Его задача состоит в том, чтобы контролировать работу прибора, вычислять параметры инициализации уровней 0 и 1 относительно предыдущей точки и вычислять долгосрочные изменяющиеся продукты IASI, а также контролировать обработку, близкую к реальному времени (NTR) (т. е. уровни 0 и 1). [7]
Существует три таких уровня обработки данных IASI, пронумерованных от 0 до 2. Сначала данные уровня 0 дают необработанные выходные данные детекторов, которые уровень 1 преобразует в спектры путем применения БПФ и необходимых калибровок, и, наконец, уровень 2 выполняет методы восстановления данных для описания физического состояния наблюдаемой атмосферы.
Первые два уровня предназначены для преобразования интерферограмм в спектры, полностью калиброванные и независимые от состояния прибора в любой момент времени. Напротив, третий предназначен для получения значимых параметров не только из IASI, но и из других инструментов MetOp. [7]
Например, поскольку ожидается, что прибор будет линейным по энергии, перед вычислением спектров к интерферограммам применяется поправка на нелинейность. Затем два эталонных изображения используются для первого этапа радиометрической калибровки. Второй этап, выполняемый на земле, используется для компенсации определенных физических эффектов, которые игнорировались на первом этапе (например, поправка на падение сканирующего зеркала, эффект отсутствия черноты 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 путем калибровки спектров с точки зрения радиометрии и объединения спектральных полос. Он разделен на три подцепи обработки: [7]
Уровень 1 разделен на три подуровня. Его основная цель — дать наилучшую оценку геометрии интерферометра во время измерения. Некоторые параметры модели оценки вычисляются цепочкой обработки TEC и служат входными данными для оценок уровня 1. [7]
Модель оценки используется в качестве основы для расчета более точной модели путем расчета соответствующих функций спектральной калибровки и аподизации. Это позволяет устранить всю спектральную изменчивость измерений. [7]
Этот уровень связан с получением геофизических параметров на основе измерений радиации: [1]
Процессы здесь выполняются синергически с набором инструментов ATOVS, AVHRR и прогнозными данными 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 множество алгоритмов для получения данных уровня 2, которые различаются по своим предположениям и формулировке и, следовательно, имеют разные сильные и слабые стороны (которые можно изучить с помощью исследований взаимного сравнения). Выбор алгоритма определяется знанием этих ограничений, имеющихся ресурсов и особенностей атмосферы, которую необходимо исследовать. [ нужна цитата ]
В целом алгоритмы основаны на методе оптимальной оценки . По сути, это предполагает сравнение измеренных спектров с априорным спектром. Впоследствии в априорную модель добавляется определенное количество измеряемого объекта (например, SO 2 ), и полученные спектры еще раз сравниваются с измеренными. Процесс повторяется снова и снова, цель состоит в том, чтобы отрегулировать количество примесей так, чтобы смоделированный спектр как можно ближе напоминал измеренный. Следует отметить, что при нарушении априорных значений необходимо принимать во внимание различные ошибки, такие как ошибка априорных значений, инструментальная ошибка или ожидаемая ошибка. [8]
В качестве альтернативы данные IASI уровня 1 могут обрабатываться с помощью алгоритмов наименьших квадратов . Опять же , необходимо принять во внимание ожидаемую ошибку .
Основная конструкция IASI состоит из 6 сэндвич-панелей с сотовой сердцевиной из алюминия и обшивкой из цианата углерода. Из них та, которая поддерживает оптические узлы, электронику и механизмы, называется главной панелью . [1] [9]
Тепловая архитектура прибора была разработана таким образом, чтобы разделить IASI на независимые корпуса, оптимизируя конструкцию каждого такого корпуса в отдельности. Например, оптические компоненты можно найти в замкнутом объеме, содержащем только малодиссипативные элементы, а углы куба находятся вне этого объема. Кроме того, корпус, в котором находится интерферометр, почти полностью отделен от остальной части прибора многослойной изоляцией (MLI) . Это определяет очень хорошую термическую стабильность оптики интерферометра: временные и пространственные градиенты составляют менее 1 °C, что важно для проведения радиометрической калибровки. Кроме того, другое оборудование, такое как рассеивающая электроника, лазерные источники , либо герметизировано в специальных корпусах, либо подвергается термическому контролю через секцию терморегулирования основной конструкции, например, механизмы сканирования или черное тело. [9]
При входе в интерферометр свет встретит следующие инструменты: [5]
Чтобы уменьшить фоновый фон прибора и шум термоэлектронного детектора, температура холодильной камеры поддерживается на уровне 93 К с помощью пассивного криогенного охладителя. [9] Это было предпочтительнее криогенной машины из-за того, что уровни вибрации последней могут потенциально вызвать ухудшение спектрального качества. [4] [5]
Накопление льда на оптических поверхностях приводит к потере передачи. Чтобы снизить чувствительность IASI к загрязнению льдом, в излучающие полости добавлены два ровных отверстия.
Кроме того, необходимо было обеспечить защиту холодной оптики от остаточных загрязнений. Для этого были усовершенствованы уплотнения (сильфоны и соединения).
IASI в Европейском космическом агентстве
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )