Инфракрасный интерферометр зондирования атмосферы

Инфракрасный интерферометр зондирования атмосферы (IASI) представляет собой спектрометр с преобразованием Фурье на основе интерферометра Майкельсона , связанный с интегрированной системой формирования изображений (IIS). ^{[ 1 ]}

В составе полезной нагрузки серии MetOp полярно -орбитальных метеорологических спутников 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 - это прибор для наблюдения в надире, регистрирующий спектры инфракрасного излучения от 645 до 2760 см. ⁻¹ на 0,25 см ⁻¹ разрешение (0,5 см ⁻¹ после аподизации ). Хотя в первую очередь он предназначен для предоставления информации почти в реальном времени о температуре атмосферы и водяном паре для поддержки прогнозирования погоды , концентрации различных газовых примесей также можно получить из спектров.

Происхождение и развитие

IASI принадлежит к классу космических приборов теплового инфракрасного диапазона (TIR), предназначенных для дистанционного зондирования тропосферы . С эксплуатационной стороны IASA является заменой инструментов HIRS, тогда как с научной стороны он продолжает миссию инструментов, посвященных составу атмосферы, которые также являются приборами для просмотра надира и инструментами преобразования Фурье (например, «Эксперимент по химии атмосферы»). Таким образом, он сочетает в себе требования, предъявляемые как метеорологией (широкий 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 курирует производство повторяющихся моделей. ^{[ 5 ]}

Основные характеристики

Спектральный диапазон

Спектральный диапазон IASI был выбран таким образом, чтобы прибор мог регистрировать данные из следующих диапазонов: ^{[ 3 ]}

сильное поглощение углекислого газа около 15 мкм
озона поглощение _{ν 2} около 9,6 мкм
водяной пар ν ₃ сильное поглощение
поглощение метана до границы МДП

Таким образом, спектральный диапазон ИАСИ составляет 645 – 2760 см. ⁻¹ (15,5 – 3,62 мкм). Он имеет 8461 спектральный образец, которые расположены в 3 полосах в пределах спектрального диапазона, показанного в таблице ниже. Соответственно, спектральное разрешение, при котором проводятся измерения, составляет 0,5 см. ⁻¹. ^{[ 3 ]}^{[ 6 ]}

Группа	Волновые числа (см ⁻¹)	Длина волны (мкм)
1	645.0 - 1210.0	8.26 - 15.50
2	1210.0 - 2000.0	5.00 - 8.26
3	2000.0 - 2760.0	3.62 - 5.00

Каждая полоса имеет определенное назначение, как показано в следующей таблице: ^{[ 5 ]}

Группа	Название региона	Спектральная область (см ⁻¹)	Полоса поглощения	Использование
Б1	Р1	650 - 770	СО ₂	Температурный профиль
Б1	Р2	790 - 980	Атмосферное окно	Свойства поверхности и облака
Б1	Р3	1000 - 1070	O_О3	О ₃ звучание
Б1	Р4	1080 - 1150	Атмосферное окно	Свойства поверхности и облака
Б2	Р5	1210 - 1650	Н ₂ О	Профили влажности; CH ₄ и N ₂Свойства O
Б3	Р6	2100 - 2150	СО	Количество столбца CO
Б3	Р7	2150 - 2250	Н ₂ О и СО ₂	Температурный профиль; N ₂Количество O в колонке
Б3	Р8	2350 - 2420	СО ₂	Температурный профиль
Б3	Р9	2420 - 2700	Атмосферное окно	Свойства поверхности и облаков
Б3	10 рэндов	2700 - 2760	СН ₄	CH ₄Количество столбца

Параметры выборки

Как система сканирования поперек пути , 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 называемых мгновенных полей 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 круглая: поперек пути он 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. Внутри этой области находятся 64×64 пикселей, и они имеют ту же площадь, что и EFOV выше. ^{[ 1 ]}

Система обработки данных

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 спектры действительно интересуют исследователей, 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 ]}

имеется автономная цепочка обработки Кроме того, в Центре технической экспертизы , также называемом ТЭК, . 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 ]}

Уровни обработки IASI

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 ]}

Уровень 0

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 ]}

Предварительная обработка интерферограммы, которая касается:
- коррекция нелинейности
- обнаружение пиков, которое предотвращает использование поврежденных интерферограмм во время калибровки
- вычисление NZPD (числовой дискретизатор нулевой разности путей), который определяет опорную выборку, соответствующую преобразованию Фурье
- алгоритм, который применяет преобразование Фурье к интерферограмме для получения спектра, соответствующего измеренной интерферограмме.
Вычисление радиометрических коэффициентов и фильтрация
Расчет атмосферных спектров, включающий применение калибровочных коэффициентов, объединение полос и кодирование спектров.
- за счет применения закона спектрального масштабирования, удаления смещения и применения битовой маски к объединенным спектрам передача осуществляется со средней скоростью 8,2 бита на спектральную выборку без потери полезной информации.

Уровень 1

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 ]}

Уровень 1а

Модель оценки используется здесь для определения правильных спектральных положений образцов спектров, поскольку положения варьируются от одного пикселя к другому. Более того, теперь учитываются некоторые ошибки, игнорируемые на уровне 0, такие как коэффициент излучения черного тела, не равный единице, или зависимость сканирующего зеркала от температуры. ^{[ 7 ]}

Кроме того, он оценивает геолокацию IASI, используя результаты корреляции AVHRR и калиброванного изображения IIS. ^{[ 6 ]}

Уровень 1б

Здесь спектры повторно дискретизируются. Для выполнения этой операции спектры с уровня 1a подвергаются передискретизации в 5 раз. Эти передискретизированные спектры наконец интерполируются на новой основе постоянного волнового числа (0,25 см-1). ⁻¹), ^{[ 7 ]} с использованием интерполяции кубическим сплайном. ^{[ 6 ]}

Уровень 1с

Применяются оцененные функции аподизации. ^{[ 7 ]}

Он генерирует кластерный анализ излучения на основе AVHRR в рамках IASI IFOV с использованием функции распределения точек IASI . ^{[ 6 ]}

Уровень 2

Этот уровень связан с получением геофизических параметров на основе измерений радиации: ^{[ 1 ]}

Профили температуры
Профили влажности
Столбчатое количество озона в толстых слоях
Температура поверхности
Коэффициент излучения поверхности
Частичная облачность
верхней границы облаков Температура
Давление на вершине облаков
Фаза облака
Общий столбец N ₂ O
Общий столбец CO
Общий столбец CH ₄
Общий столбец CO ₂
Ковариация ошибок
Флаги обработки и равенства

Процессы здесь выполняются синергически с набором инструментов ATOVS, AVHRR и прогнозными данными численного прогноза погоды. ^{[ 1 ]}

Методы исследования

Некоторые исследователи предпочитают использовать собственные алгоритмы поиска, обрабатывающие данные уровня 1, тогда 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 ссылка ]}

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. ^{[ нужна ссылка ]}.

Дизайн

Основная конструкция IASI состоит из 6 сэндвич-панелей с алюминиевой сотовой сердцевиной и обшивкой из цианата углерода. Из них та, которая поддерживает оптические узлы, электронику и механизмы, называется главной панелью . ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]}

Тепловая архитектура прибора была спроектирована 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 ]}

Сканирующее зеркало, обеспечивающее обзор ±48,3° симметрично относительно надира. Кроме того, он просматривает калибровочное горячее и холодное черное тело (внутреннее черное тело и глубокий космос соответственно). Для пошагового сканирования сцены используются подшипники с жидкостной смазкой.

Внеосевой афокальный телескоп, который переносит диафрагму на сканирующее зеркало.

Интерферометр Майкельсона, имеющий общую структуру интерферометра Майкельсона, но с двумя из карбида кремния угловыми кубическими зеркалами . Преимущество использования угловых отражателей перед плоскими зеркалами состоит в том, что последние требуют динамического выравнивания. ^{[ 4 ]}

Складные и внеосевые фокусирующие зеркала, первое из которых направляет рекомбинированный луч на второе. В результате у входа в холодный ящик формируется изображение Земли.

Холодный бокс, в котором находятся: диафрагменные диафрагмы , полевые , линзы отображающие диафрагменную диафрагму на углах куба, дихроичные пластины, делящие весь спектральный диапазон на три спектральные полосы, линзы, формирующие изображение диафрагмы на блоке детектирования. , три фокальные плоскости, оснащенные микролинзами. Они предназначены для отображения апертурной диафрагмы на детекторах и предусилителях.

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 ]}

Меры против заражения льдом

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).

Предлагаемые изображения

IASI в Европейском космическом агентстве

Внешние ссылки

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «4. Обзор продуктов IASI уровня 2» . oiswww.eumetsat.org . Архивировано из оригинала 11 мая 2010 года . Проверено 9 июля 2014 г.
^ Аллен, Боб. «Метоп — это серия из трех метеорологических спутников на полярной орбите, которые образуют компонент космического сегмента всей Полярной системы ЕВМЕТСАТ (EPS)» . ЕВМЕТСАТ . Архивировано из оригинала 12 июля 2014 года . Проверено 24 июля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Клербо, К.; Бойнард, А.; Кларисса, Л.; Джордж, М.; Хаджи-Лазаро, Дж.; Хербин, Х.; Хуртманс, Д.; Помье, М.; Разави, А.; Туркети, С.; Веспес, К.; Коэр, П.-Ф. (2009). «Мониторинг состава атмосферы с помощью теплового инфракрасного эхолота IASI/MetOp» . Химия и физика атмосферы . 9 (16): 6041–6054. Бибкод : 2009ACP.....9.6041C . дои : 10.5194/acp-9-6041-2009 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Эбер, доктор философии; Блюмштейн, Д.; Бюл, Дж.; Карлье, Т.; Шалон, Г.; Астрюк, П.; Клаусс, А.; Симеон, Д.; Турнье, Б. (2004). «Прибор IASI: техническое описание и измеренные характеристики» . Материалы V Международной конференции по космической оптике . 554 : 49–56.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Блюмштейн, Д.; Шалон, Г.; Карлье, Т.; Буйл, К.; Эбер, доктор философии; Мацяшек, Т.; Понсе, Г.; Фулпин, Т.; Турнье, Б.; Симеони, Д.; Астрюк, П.; Клаусс, А.; Каял, Г.; Джегу, Р. (2004). Стройник, Мария (ред.). «Прибор IASI: технический обзор и измеренные характеристики». Труды SPIE . Инфракрасное космическое дистанционное зондирование XII. 5543 : 196–207. Бибкод : 2004SPIE.5543..196B . дои : 10.1117/12.560907 . S2CID 129684786 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «4. Обзор продуктов IASI уровня 1» . oiswww.eumetsat.org . Архивировано из оригинала 14 ноября 2013 года . Проверено 9 июля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Турнье, Бернар; Блюмштейн, Денис; Жайла, Франсуа-Режи. «Описание алгоритмов обработки IASI уровней 0 и 1» . Проверено 14 июля 2014 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «ИАСИ» . .физика.ox.ac.uk/ . Архивировано из оригинала 4 сентября 2014 года . Проверено 22 июля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Симеон, Д.; Астрюк, П.; Мирас, Д.; Элис, Дж.; Андрейс, О.; Шайдель, Д.; Дегрелль, К.; Никол, П.; Байи, Б.; Гиард, П.; Клаусс, А.; Блюмштейн, Д.; Мацяшек, Т.; Шалон, Г.; Карлье, Т.; Каял, Г. (2004). Стройник, Мария (ред.). «Проектирование и разработка инструмента IASI». Учеб. ШПИОН . Инфракрасное космическое дистанционное зондирование XII. 5543 : 208–219. Бибкод : 2004SPIE.5543..208S . дои : 10.1117/12.561090 . S2CID 128698514 .

[eumetsatPO2-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «4. Обзор продуктов IASI уровня 2» . oiswww.eumetsat.org . Архивировано из оригинала 11 мая 2010 года . Проверено 9 июля 2014 г.

[2] Аллен, Боб. «Метоп — это серия из трех метеорологических спутников на полярной орбите, которые образуют компонент космического сегмента всей Полярной системы ЕВМЕТСАТ (EPS)» . ЕВМЕТСАТ . Архивировано из оригинала 12 июля 2014 года . Проверено 24 июля 2014 г.

[2009clerbaux-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Клербо, К.; Бойнард, А.; Кларисса, Л.; Джордж, М.; Хаджи-Лазаро, Дж.; Хербин, Х.; Хуртманс, Д.; Помье, М.; Разави, А.; Туркети, С.; Веспес, К.; Коэр, П.-Ф. (2009). «Мониторинг состава атмосферы с помощью теплового инфракрасного эхолота IASI/MetOp» . Химия и физика атмосферы . 9 (16): 6041–6054. Бибкод : 2009ACP.....9.6041C . дои : 10.5194/acp-9-6041-2009 .

[2004hebert-4] Jump up to: ^а ^б ^с Эбер, доктор философии; Блюмштейн, Д.; Бюл, Дж.; Карлье, Т.; Шалон, Г.; Астрюк, П.; Клаусс, А.; Симеон, Д.; Турнье, Б. (2004). «Прибор IASI: техническое описание и измеренные характеристики» . Материалы V Международной конференции по космической оптике . 554 : 49–56.

[2004blumstein-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Блюмштейн, Д.; Шалон, Г.; Карлье, Т.; Буйл, К.; Эбер, доктор философии; Мацяшек, Т.; Понсе, Г.; Фулпин, Т.; Турнье, Б.; Симеони, Д.; Астрюк, П.; Клаусс, А.; Каял, Г.; Джегу, Р. (2004). Стройник, Мария (ред.). «Прибор IASI: технический обзор и измеренные характеристики». Труды SPIE . Инфракрасное космическое дистанционное зондирование XII. 5543 : 196–207. Бибкод : 2004SPIE.5543..196B . дои : 10.1117/12.560907 . S2CID 129684786 .

[eumetsatPO1-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «4. Обзор продуктов IASI уровня 1» . oiswww.eumetsat.org . Архивировано из оригинала 14 ноября 2013 года . Проверено 9 июля 2014 г.

[tournier-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Турнье, Бернар; Блюмштейн, Денис; Жайла, Франсуа-Режи. «Описание алгоритмов обработки IASI уровней 0 и 1» . Проверено 14 июля 2014 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[eodgiasi-8] «ИАСИ» . .физика.ox.ac.uk/ . Архивировано из оригинала 4 сентября 2014 года . Проверено 22 июля 2014 г.

[2004simeoni-9] Jump up to: ^а ^б ^с Симеон, Д.; Астрюк, П.; Мирас, Д.; Элис, Дж.; Андрейс, О.; Шайдель, Д.; Дегрелль, К.; Никол, П.; Байи, Б.; Гиард, П.; Клаусс, А.; Блюмштейн, Д.; Мацяшек, Т.; Шалон, Г.; Карлье, Т.; Каял, Г. (2004). Стройник, Мария (ред.). «Проектирование и разработка инструмента IASI». Учеб. ШПИОН . Инфракрасное космическое дистанционное зондирование XII. 5543 : 208–219. Бибкод : 2004SPIE.5543..208S . дои : 10.1117/12.561090 . S2CID 128698514 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]