Войти
Инфракрасный интерферометр атмосферного зондирования (IASI) представляет собой спектрометр с преобразованием Фурье на основе интерферометра Майкельсона, связанного с интегрированной системой визуализации (IIS).
Как часть полезной нагрузки серии MetOp для полярно-орбитальных метеорологические спутники, в настоящее время используются два прибора IASI: на MetOp-A (запущен 19 октября 2006 г.) и на Met-Op B (запущен 17 сентября 2012 г.), третий должен быть запущен в 2018 г.
IASI - это прибор для наблюдения за надирами, регистрирующий инфракрасные спектры излучения от 645 до 2760 см с разрешением 0,25 см (0,5 см после аподизации ). Хотя в первую очередь предназначено для предоставления информации в в реальном времени о температуре атмосферы и водяном паре для поддержки прогнозирования погоды, концентрации различных следовые газы также могут быть извлечены из спектров.
IASI относится к классу теплового инфракрасного излучения (TIR) космических приборов, посвященных тропосферному дистанционному зондированию. С эксплуатационной точки зрения он предназначен для замены инструментов HIRS, тогда как с научной точки зрения он продолжает миссию инструментов, предназначенных для определения состава атмосферы, которые также используются для наблюдения за надиром, инструментов преобразования Фурье (например, экспериментов по химии атмосферы). Таким образом, он сочетает в себе требования, предъявляемые как к метеорологии - высокий пространственный охват, так и к химии атмосферы - к точности и вертикальной информации для газовых примесей. Разработанный Национальным центром космических исследований, он теперь сочетает в себе хорошее горизонтальное покрытие и умеренное спектральное разрешение. Его аналог на АЭС Суоми - это инфракрасный зонд с перекрестным сигналом (CrIS).
Согласно соглашению между CNES и EUMETSAT (Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников), первая отвечала за разработку прибора и программного обеспечения для обработки данных. Последний отвечает за архивирование и распространение данных среди пользователей, а также за работу самого IASI. В настоящее время Alcatel Space является генеральным подрядчиком проекта и курирует производство повторяющихся моделей.
IASI спектральный диапазон был выбран таким, чтобы прибор мог записывать данные из следующих диапазонов:
Таким образом, спектральный диапазон IASI составляет 645 - 2760 см (15,5 - 3,62 мкм). Он имеет 8461 спектральную выборку, которые выровнены по 3 полосам в спектральном диапазоне, показанном в таблице ниже. Соответственно, спектральное разрешение, при котором проводятся измерения, составляет 0,5 см.
| Диапазон | Волновые числа (см) | 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 :
| Полоса | Название области | Спектральная область (см) | Полоса поглощения | Использование |
|---|---|---|---|---|
| B1 | R1 | 650-770 | CO2 | Температура профиль |
| B1 | R2 | 790 - 980 | Атмосферное окно | Свойства поверхности и облаков |
| B1 | R3 | 1000 - 1070 | O3 | O3зондирование |
| B1 | R4 | 1080 - 1150 | Атмосферное окно | Поверхность и свойства облака |
| B2 | R5 | 1210 - 1650 | H2O | Профили влажности;.. CH4и N 2 Свойства O |
| B3 | R6 | 2100-2150 | CO | Количество CO в колонке |
| B3 | R7 | 2150-2250 | N2O и CO 2 | Температурный профиль;.. N2Количество столбца O |
| B3 | R8 | 2350 - 2420 | CO2 | Температурный профиль |
| B3 | R9 | 2420 - 2700 | Атмосферное окно | Свойства поверхности и облаков |
| B3 | R10 | 2700 - 2760 | CH4 | CH4количество столбцов |
Как по системе сканирования дорожек, IASI имеет диапазон сканирования 48 ° 20 ′ по обе стороны от надир направление; соответствующая полоса обзора тогда составляет около 2 × 1100 км. Здесь, относительно направления полета MetOp, сканирование, выполняемое IASI, начинается слева.
Поле зрения IASI, показывающее угловой диапазон и шаги, а также направление полета. Кредит для изображения: CNES Кроме того, номинальная линия сканирования имеет три цели, которые она должна покрыть. Во-первых, сканирование Земли, где на каждом шаге есть 30 (15 на каждой ветви 48 ° 20 ′) позиций, в которых производятся измерения. В дополнение к этому, два вида, посвященные калибровке, в дальнейшем будут называться справочными. Один из двух направлен в глубокий космос (холодная ссылка), а другой наблюдает за внутренним черным телом (горячая ссылка).
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, является круглым и имеет диаметр 12 км в надире. Форма IFOV на краю линии сканирования больше не круглая: поперек пути он составляет 39 км, а вдоль пути - 20 км.
Наконец, поле обзора IIS представляет собой квадратную область, сторона которого имеет угловую ширину 59,63 мрад. Внутри этой области есть 64 × 64 пикселя, и они измеряют ту же площадь, что и EFOV выше.
Инструмент IASI производит около 1 300 000 спектров каждый день. IASI требуется около 8 секунд для сбора данных с одного полного пути и бортовой калибровки. Первая состоит из 120 интерферограмм, каждая из которых соответствует одному пикселю. Конечно, поскольку исследователи действительно интересуются спектрами, данные, собранные IASI, должны пройти несколько этапов обработки.
Кроме того, IASI имеет выделенную скорость передачи данных 1,5 мегабит (Мб) в секунду. Однако скорость производства данных составляет 45 Мбит / с, и поэтому основная часть обработки данных должна выполняться на борту. Таким образом, передаваемые данные представляют собой закодированный спектр, объединенный по полосам и грубо откалиброванный.
Кроме того, существует цепочка автономной обработки, расположенная в Центре технической экспертизы, также называемом TEC. Его задача - отслеживать работу прибора, вычислять параметры инициализации уровня 0 и 1 по отношению к предыдущей точке и вычислять долгосрочные изменяющиеся продукты IASI, а также контролировать обработку в режиме, близком к реальному времени (NTR) (т. Е. уровни 0 и 1).
Существует три таких уровня обработки для данных IASI, пронумерованных от 0 до 2. Во-первых, данные уровня 0 дают необработанные выходные данные детекторов, который Уровень 1 преобразует в спектры, применяя БПФ и необходимые калибровки, и, наконец, Уровень 2 выполняет методы поиска, чтобы описать физическое состояние атмосферы, которое наблюдалось.
Первые два уровня предназначены для преобразования интерферограмм в спектры, которые полностью откалиброваны и не зависят от состояния прибора в любой момент времени. Напротив, третий предназначен для получения значимых параметров не только из IASI, но и из других инструментов из MetOp.
Например, поскольку ожидается, что инструмент будет линейным по энергии, нелинейность Коррекция применяется к интерферограммам до расчета спектров. Затем два эталонных изображения используются для первого шага радиометрической калибровки. Второй этап, выполняемый на земле, используется для компенсации определенных физических эффектов, которые были проигнорированы в первом (например, коррекция угла падения для сканирующего зеркала, эффект отсутствия черноты и т. Д.).
Цифровая обработка подсистема выполняет радиометрическую калибровку и обратное преобразование Фурье для получения необработанных спектров.
Центральной целью обработки Уровня 0 является снижение скорости передачи путем калибровки спектров с точки зрения радиометрии и слияния спектральных полос. Он разделен на три подцепи обработки:
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 в качестве входных данных для оценок уровня 1.
Модель оценки используется в качестве основы для вычисления более точной модели путем вычисления соответствующего спектрального функции калибровки и аподизации. Это позволяет устранить всю спектральную изменчивость измерений.
Этот уровень связан с получением геофизических параметров на основе измерений яркости:
Пример конечного продукта Уровня 2: 3-дневное среднее значение CO уровней около 15 августа 2010 года. Россия из-за лесных пожаров. Напротив, высокие значения выше Китай являются основными из-за загрязнения окружающей среды и сельскохозяйственных пожаров. Copyright 2014 EUMETSAT Процессы здесь выполняются синергетически с набором инструментов ATOVS, AVHRR и данными прогноза из числовых метеорологических предсказание.
Некоторые исследователи предпочитают использовать свои 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 своими предположениями и формулировкой и, следовательно, будут иметь разные сильные и слабые стороны (которые могут быть исследованы с помощью сравнительных исследований). Выбор алгоритма основывается на знании этих ограничений, имеющихся ресурсов и специфических особенностей атмосферы, которые необходимо исследовать.
В целом алгоритмы основаны на оптимальной оценке метод. По сути, это включает сравнение измеренных спектров с априорным спектром. Впоследствии априорная модель загрязняется определенным количеством объекта, который нужно измерить (например, SO 2), и полученные спектры снова сравниваются с измеренными. Процесс повторяется снова и снова, цель состоит в том, чтобы отрегулировать количество загрязняющих веществ так, чтобы смоделированный спектр максимально напоминал измеренный. Следует отметить, что при искажении априорных значений необходимо принимать во внимание различные ошибки, такие как априорная ошибка, инструментальная ошибка или ожидаемая ошибка.
В качестве альтернативы данные IASI Level 1 могут быть обработаны алгоритмами подбора наименьших квадратов. Опять же, необходимо учитывать ожидаемую ошибку.
Основная структура IASI состоит из 6 сэндвич-панелей, которые имеют алюминиевый сотовый сердечник и обшивку из цианата углерода. Из них та, которая поддерживает оптические узлы, электронику и механизмы, называется главной панелью.
Внутренний вид IASI (вверху). Предоставлено: CNES 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 замкнутом объеме, содержащем только элементы с низкой рассеивающей способностью, в то время как 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 менее 1 ° C, что важно для радиометрической калибровки. Кроме того, другое оборудование либо герметично закрыто в специальных корпусах, таких как рассеивающая электроника или источники LASER, либо термически регулируется через секцию терморегулирования основной конструкции, например механизмы сканирования или черное тело.
Попадая в интерферометр, свет попадает на следующие инструменты:
Внутренний вид IASI (внизу). Предоставлено: CNES Чтобы уменьшить фоновый сигнал прибора и шум термоэлектронного детектора, температура холодильной камеры поддерживается на уровне 93 К с помощью пассивного криогенного холодильника. Это было предпочтительнее криогенной машины из-за того, что уровни вибрации последней могут потенциально вызвать ухудшение спектрального качества.
Накопление льда на оптических поверхностях определяет потерю передачи. Чтобы снизить чувствительность IASI к загрязнению льдом, в эмиссионные полости были добавлены два ровных отверстия.
Кроме того, необходимо было обеспечить защиту холодной оптики от остаточного загрязнения. Для этого были улучшены уплотнения (сильфоны и соединения).
IASI в Европейском космическом агентстве
