Interferometr atmosferyczny na podczerwień

Interferometr atmosferyczny na podczerwień (IASI) to spektrometr z transformacją Fouriera oparty na interferometrze Michelsona , połączony ze zintegrowanym systemem obrazowania (IIS).

W ramach ładunku użytecznego serii satelitów meteorologicznych MetOp na orbicie polarnej działają obecnie dwa instrumenty IASI: na MetOp-A (wystrzelony 19 października 2006) i na Met-Op B (wystrzelony 17 września 2012) z trzecim ma zostać uruchomiony w 2018 r.

IASI to instrument do obserwacji nadirów, rejestrujący widma emisji w podczerwieni od 645 do 2760 cm ^-1 przy rozdzielczości 0,25 cm ^{-1 (0,5 cm}^-1 po apodyzacji ). Chociaż przede wszystkim ma na celu dostarczanie informacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego na temat temperatury atmosferycznej i pary wodnej w celu wspierania prognozowania pogody , stężenia różnych gazów śladowych można również odzyskać z widm.

Pochodzenie i rozwój

IASI należy do klasy instrumentów kosmicznych wykorzystujących podczerwień termiczną (TIR), które są przeznaczone do teledetekcji troposferycznej . Od strony operacyjnej ma zastąpić instrumenty HIRS, natomiast od strony naukowej kontynuuje misję instrumentów do badania składu atmosfery, które są jednocześnie nadirami, instrumentami z transformatą Fouriera (np. Atmospheric Chemistry Experiment). W ten sposób łączy wymagania narzucone zarówno przez meteorologię - duże pokrycie przestrzenne, jak i chemię atmosfery - dokładność i informacje pionowe dla gazów śladowych. Zaprojektowany przez Centre National d'Études Spatiales , teraz łączy w sobie dobre pokrycie poziome i umiarkowaną rozdzielczość widmową. Jej odpowiednikiem w elektrowni jądrowej Suomi jest Cross-track Infrared Sounder (CrIS).

Na mocy umowy pomiędzy CNES a EUMETSAT (Europejska Organizacja Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych) , ta pierwsza odpowiadała za opracowanie instrumentu i oprogramowania do przetwarzania danych. Ten ostatni jest odpowiedzialny za archiwizację i dystrybucję danych do użytkowników, a także za obsługę samego IASI. Obecnie Alcatel Space jest głównym wykonawcą projektu i nadzoruje produkcję powtarzających się modeli.

Główna charakterystyka

Zakres widmowy

Zakres widmowy IASI został dobrany tak, aby instrument mógł rejestrować dane z następujących zakresów:

silna absorpcja dwutlenku węgla około 15 μm
absorpcja ozonu ν ₂ około 9,6 μm
para wodna v ₃ silna absorpcja
metanu do granicy TIR

W związku z tym zakres widmowy IASI wynosi 645 – 2760 cm ^-1 (15,5 – 3,62 μm). Ma 8461 próbek widmowych, które są wyrównane w 3 pasmach w zakresie widmowym, pokazanym w poniższej tabeli. Odpowiednio, rozdzielczość widmowa, przy której wykonuje się pomiary, wynosi 0,5 cm ^-1 .

Zespół	Liczby falowe (cm ⁻¹ )	Długość fali (μm)
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

Każdy zespół ma określony cel, jak pokazano w poniższej tabeli:

Zespół	Nazwa regionu	Obszar widmowy (cm ^-1 )	Pasmo absorpcji	Stosowanie
B1	R1	650 - 770	CO2 _{_}	Profil temperaturowy
B1	R2	790 - 980	Klimatyczne okno	Właściwości powierzchni i chmury
B1	R3	1000 - 1070	O ₃	O ₃ brzmiące
B1	R4	1080 - 1150	Klimatyczne okno	Właściwości powierzchni i chmury
B2	R5	1210 - 1650	H2O _{_} _	Profile wilgotności; Właściwości CH ₄ i N _{2 O}
B3	R6	2100 - 2150	WSPÓŁ	Ilość kolumny CO
B3	R7	2150 - 2250	N2O i _CO2_{_}	profil temperaturowy; ilość _kolumny N2O
B3	R8	2350 - 2420	CO2 _{_}	Profil temperaturowy
B3	R9	2420 - 2700	Klimatyczne okno	Właściwości powierzchni i chmur
B3	R10	2700 - 2760	CH ₄	Kwota kolumny CH ₄

Parametry próbkowania

Jako system skanowania poprzecznego , IASI ma zasięg skanowania 48°20′ po obu stronach kierunku nadiru ; odpowiedni pas ma wtedy około 2 × 1100 km. Tutaj, w odniesieniu do kierunku lotu MetOp, skanowanie wykonywane przez IASI rozpoczyna się po lewej stronie.

Pole widzenia IASI, pokazujące zakres kątowy i kroki, a także kierunek lotu. Źródło obrazu: CNES

Ponadto nominalna linia skanowania ma trzy cele, które musi obejmować. Najpierw skan Ziemi, gdzie w każdym kroku znajduje się 30 (15 w każdej gałęzi 48°20′) pozycji, w których dokonywane są pomiary. Dodatkowo dwa widoki dedykowane do kalibracji - odtąd będą one określane jako widoki referencyjne . Jeden z nich jest skierowany w głęboką przestrzeń kosmiczną (zimne odniesienie), podczas gdy drugi obserwuje wewnętrzne ciało doskonale czarne (gorące odniesienie).

Elementarne (lub efektywne) pole widzenia (EFOV) jest definiowane jako użyteczne pole widzenia w każdej pozycji skanowania. Każdy taki element składa się z okrągłej matrycy pikseli 2 × 2 tak zwanych chwilowych pól widzenia (IFOV) . Każdy z czterech pikseli rzutowanych na ziemię jest okrągły i ma średnicę 12 km w najniższym punkcie. Kształt IFOV na krawędzi linii skanowania nie jest już okrągły: w poprzek toru mierzy 39 km, a wzdłuż toru 20 km.

Wreszcie pole widzenia IIS to kwadratowy obszar, którego bok ma szerokość kątową 59,63 mrad. W tym obszarze znajdują się 64 × 64 piksele i mierzą ten sam obszar, co EFOV powyżej.

System przetwarzania danych

Instrument IASI wytwarza codziennie około 1 300 000 widm. Pobranie danych z jednego kompletnego toru i kalibracji na pokładzie zajmuje IASI około 8 sekund. Pierwsza składa się ze 120 interferogramów, z których każdy odpowiada jednemu pikselowi. Oczywiście, ponieważ badacze są naprawdę zainteresowani widmami, dane zebrane przez IASI muszą przejść przez kilka etapów przetwarzania.

Ponadto IASI ma przydzieloną prędkość transmisji danych wynoszącą 1,5 megabita (Mb) na sekundę. Szybkość produkcji danych wynosi jednak 45 Mbit/s, a zatem większa część przetwarzania danych ma odbywać się na pokładzie. W związku z tym przesyłane dane są zakodowanym widmem, które jest łączone i z grubsza kalibrowane.

Ponadto istnieje łańcuch przetwarzania offline zlokalizowany w Technical Expertise Center , zwany także TEC. Jego zadaniem jest monitorowanie działania przyrządu, obliczanie parametrów inicjalizacji poziomu 0 i 1 w odniesieniu do punktu poprzedniego oraz obliczanie długookresowych zmiennych produktów IASI, a także monitorowanie przetwarzania w czasie zbliżonym do rzeczywistego (NTR) (tj. poziomy 0 i 1).

Poziomy przetwarzania IASI

Istnieją trzy takie poziomy przetwarzania danych IASI, ponumerowane od 0 do 2. Po pierwsze, dane poziomu 0 dają nieprzetworzone dane wyjściowe detektorów, które poziom 1 przekształca w widma poprzez zastosowanie FFT i niezbędnych kalibracji, a na koniec poziom 2 wykonuje technik wyszukiwania, aby opisać fizyczny stan atmosfery, który zaobserwowano.

Pierwsze dwa poziomy są przeznaczone do przekształcania interferogramów w widma, które są w pełni skalibrowane i niezależne od stanu instrumentu w danym momencie. Z kolei trzeci jest poświęcony pozyskiwaniu znaczących parametrów nie tylko z IASI, ale także z innych instrumentów MetOp.

Na przykład, ponieważ oczekuje się, że instrument będzie liniowy pod względem energii, przed obliczeniem widma do interferogramów stosowana jest korekcja nieliniowości. Następnie dwa widoki referencyjne są używane w pierwszym kroku kalibracji radiometrycznej. Drugi krok, wykonywany na ziemi, jest używany do skompensowania pewnych efektów fizycznych, które zostały zignorowane w pierwszym (np. korekcja padania dla skanującego lustra, efekt braku czerni itp.).

Podsystem przetwarzania cyfrowego wykonuje kalibrację radiometryczną i odwrotną transformatę Fouriera w celu uzyskania surowych widm .

Poziom 0

Głównym celem przetwarzania poziomu 0 jest zmniejszenie szybkości transmisji poprzez kalibrację widm pod względem radiometrycznym i łączenie pasm widmowych. Jest to podzielone na trzy podłańcuchy przetwarzania:

Wstępne przetwarzanie interferogramu, które dotyczy:
- korekcja nieliniowości
- wykrywanie spajków, które zapobiega użyciu uszkodzonych interferogramów podczas kalibracji
- obliczenie NZPD (liczba próbników różnicy ścieżki zerowej), która określa próbkę przestawną odpowiadającą transformacie Fouriera
- algorytm stosujący transformatę Fouriera do interferogramu w celu uzyskania widma odpowiadającego zmierzonemu interferogramowi.
Obliczanie współczynników radiometrycznych i filtrowanie
Obliczenia widm atmosferycznych polegające na zastosowaniu współczynników kalibracyjnych, scaleniu pasm i zakodowaniu widm.
- stosując prawo skalowania widma, usuwając przesunięcie i stosując maskę bitową do połączonych widm, transmisja odbywa się ze średnią szybkością 8,2 bitów na próbkę widma, bez utraty użytecznych informacji

Poziom 1

Poziom 1 jest podzielony na trzy podpoziomy. Jego głównym celem jest jak najlepsze oszacowanie geometrii interferometru w czasie pomiaru. Kilka parametrów modelu estymacji jest obliczanych przez łańcuch przetwarzania TEC i służy jako dane wejściowe do estymacji poziomu 1.

Model estymacyjny służy jako podstawa do obliczenia dokładniejszego modelu poprzez obliczenie odpowiednich funkcji kalibracji widmowej i apodyzacji. Pozwala to na usunięcie całej zmienności widmowej pomiarów.

Poziom 1a

Model estymacji służy tutaj do podania prawidłowych pozycji widmowych próbek widm, ponieważ pozycje różnią się w zależności od piksela. Co więcej, niektóre błędy ignorowane na poziomie 0 są teraz uwzględniane, takie jak emisyjność ciała doskonale czarnego nie będąca jednością lub zależność lustra skanującego od temperatury.

Ponadto szacuje geolokalizację IASI na podstawie wyników korelacji AVHRR i skalibrowanego obrazu IIS.

Poziom 1b

Tutaj widma są ponownie próbkowane. Aby wykonać tę operację, widma z poziomu 1a są nadpróbkowane o współczynnik 5. Te nadpróbkowane widma są ostatecznie interpolowane na nowej podstawie stałej liczby falowej (0,25 cm-1), przy użyciu interpolacji splajnu ^{sześciennego} .

Poziom 1c

Zastosowano oszacowane funkcje apodyzacyjne.

Generuje analizę klastrów radiancji w oparciu o AVHRR w ramach IASI IFOV przy użyciu funkcji rozproszenia punktów IASI .

Poziom 2

Ten poziom dotyczy uzyskiwania parametrów geofizycznych z pomiarów radiacji:

Przykład produktu końcowego poziomu 2 : 3-dniowa średnia poziomów CO około 15 sierpnia 2010 r. Wysokie wartości nad Rosją są spowodowane pożarami lasów . Z kolei wysokie wartości w Chinach są głównie spowodowane zanieczyszczeniem i pożarami w rolnictwie. Prawa autorskie 2014 EUMETSAT

Profile temperaturowe
Profile wilgotności
Kolumnowe ilości ozonu w grubych warstwach
Temperatura na powierzchni
Emisyjność powierzchniowa
Ułamkowe zachmurzenie _
Temperatura szczytu chmur
Ciśnienie wierzchołkowe chmur
Faza chmur
Całkowita kolumna N ₂ O
Całkowita kolumna CO
Całkowita kolumna CH ₄
Całkowita kolumna CO ₂
Kowariancja błędu
Przetwarzanie i flagi równości

Procesy tutaj są wykonywane synergicznie z zestawem instrumentów ATOVS, AVHRR i danymi prognozy z numerycznej prognozy pogody.

Metody badań

Niektórzy badacze wolą korzystać z własnych algorytmów wyszukiwania, które przetwarzają dane poziomu 1, podczas gdy inni korzystają bezpośrednio z danych IASI poziomu 2. Istnieje wiele algorytmów generujących dane poziomu 2, które różnią się założeniami i sformułowaniami, a zatem będą miały różne mocne i słabe strony (co można zbadać za pomocą badań porównawczych). Przy wyborze algorytmu kieruje się znajomością tych ograniczeń, dostępnymi zasobami i specyficznymi cechami atmosfery, które mają być badane. ^{[ potrzebne źródło ]}

Generalnie algorytmy opierają się na metodzie estymacji optymalnej . Zasadniczo obejmuje to porównanie zmierzonych widm z a priori . Następnie model a priori zostaje zanieczyszczony pewną ilością elementu, który chce się zmierzyć ( _np ) i otrzymane widma są ponownie porównywane z widmami zmierzonymi. Proces jest powtarzany wielokrotnie, mając na celu dostosowanie ilości zanieczyszczeń tak, aby symulowane widmo jak najbardziej przypominało zmierzone. Należy zauważyć, że podczas zakłócania a priori należy wziąć pod uwagę różne błędy, takie jak błąd a priori, błąd instrumentalny lub błąd oczekiwany.

Alternatywnie dane IASI poziomu 1 mogą być przetwarzane za pomocą algorytmów dopasowania metodą najmniejszych kwadratów . Ponownie należy wziąć pod uwagę oczekiwany błąd ^{[ potrzebne źródło ]} .

Projekt

Główna struktura IASI składa się z 6 paneli warstwowych z aluminiowym rdzeniem o strukturze plastra miodu i powłokami z cyjanianu węgla. Spośród nich ten, który obsługuje podzespoły optyczne, elektronikę i mechanizmy, nazywa się panelem głównym .

Widok wewnętrzny IASI ( u góry ). Źródło: CNES

Architektura termiczna przyrządu została zaprojektowana tak, aby podzielić IASI na niezależne obudowy, optymalizując w szczególności projekt każdej takiej obudowy. Na przykład komponenty optyczne można znaleźć w zamkniętej objętości zawierającej tylko elementy o niskim rozpraszaniu, podczas gdy narożniki sześcianu znajdują się na zewnątrz tej objętości. Co więcej, obudowa zawierająca interferometr jest prawie całkowicie oddzielona od reszty instrumentu za pomocą wielowarstwowej izolacji (MLI). . Zapewnia to bardzo dobrą stabilność termiczną optyki interferometru: gradienty czasowe i przestrzenne są mniejsze niż 1 °C, co jest ważne dla wydajności kalibracji radiometrycznej. Ponadto inne urządzenia są albo zamknięte w specjalnych obudowach, takich jak elektronika rozpraszająca, laserowe , albo kontrolowane termicznie przez sekcję kontroli termicznej głównej struktury, na przykład mechanizmy skanujące lub ciało doskonale czarne.

Po wejściu do interferometru światło napotka następujące instrumenty:

Skanuj lustro, które zapewnia pokos ±48,3° symetrycznie wokół nadiru. Ponadto wyświetla kalibrację gorącego i zimnego ciała doskonale czarnego (odpowiednio wewnętrzne ciało czarne i głęboka przestrzeń). Do skanowania sceny krok po kroku używane są łożyska smarowane płynem.

Widok wewnętrzny IASI ( na dole ). Źródło: CNES

Pozaosiowy teleskop afokalny, który przenosi punkt przysłony na zwierciadło skanujące.

Interferometr Michelsona, który ma ogólną strukturę interferometru Michelsona, ale dwa narożne lusterka z węglika krzemu . Zaletą stosowania odbłyśników narożnych w stosunku do zwierciadeł płaskich jest to, że te ostatnie narzucają dynamiczne wyrównanie.

Zwierciadła składane i ogniskujące poza osią, z których pierwsze kieruje zrekombinowaną wiązkę na drugie. Powoduje to powstanie obrazu Ziemi przy wejściu do komory chłodniczej.

Zimna skrzynka, która zawiera: ograniczniki przysłony , przysłony pola , soczewka polowa obrazująca przesłonę na rogach sześcianu, płytki dichroiczne dzielące cały zakres widma na trzy pasma spektralne, soczewki dające obraz przesłony pola na jednostkę detekcji, trzy płaszczyzny ogniskowania wyposażone w mikro soczewki. Mają one za zadanie obrazować ogranicznik apertury w detektorach i przedwzmacniaczach.

Aby zredukować tło instrumentu i szum detektora termoelektronicznego, temperatura komory chłodniczej jest utrzymywana na poziomie 93 K za pomocą pasywnej chłodnicy kriogenicznej. Było to preferowane w stosunku do maszyny kriogenicznej ze względu na fakt, że poziomy wibracji tej ostatniej mogą potencjalnie spowodować pogorszenie jakości widmowej.

Środki zapobiegające zanieczyszczeniu lodem

Gromadzenie się lodu na powierzchniach optycznych determinuje utratę transmisji. Aby zmniejszyć wrażliwość IASI na zanieczyszczenie lodem, dodano wnęki emisyjne z dwoma równymi otworami.

Ponadto konieczne było zapewnienie ochrony zimnej optyki przed zanieczyszczeniami resztkowymi. Aby to osiągnąć, wprowadzono ulepszenia w zakresie uszczelnień (mieszków i połączeń).

Sugerowane obrazy

IASI w Europejskiej Agencji Kosmicznej

Linki zewnętrzne