Радиометрическая калибровка бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 для температурного и влажностного зондирования атмосферы Земли
ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 681.785.574 53.088.3
РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА БОРТОВОГО ИНФРАКРАСНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА ИКФС-2 ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ВЛАЖНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
© 2013 г. Д. А. Козлов
ГНЦ ФГУП “Центр Келдыша”, Москва
Е-mail: dima_kozlov@mail.ru
Калибровка данных фурье-спектрометра заключается в преобразовании измеряемых прибором интерферограмм в спектры входного излучения с требуемой радиометрической и спектральной точностью. Основными задачами наземной радиометрической калибровки бортового фурье-спектрометра являются коррекция нелинейности фотоприемного устройства, определение спектральной яркости излучения бортового черного тела, а также определение пороговой спектральной яркости прибора. В статье представлены результаты радиометрической калибровки летного образца аппаратуры ИКФС-2, полученные при проведении тепловакуумных испытаний прибора на предприятии “Центр Келдыша”.
Ключевые слова: фурье-спектрометр, ИКФС-2, радиометрическая калибровка, коррекция нелинейности.
Коды OCIS: 120.6200, 300.6190, 300.6300, 300.6340.
Поступила в редакцию 21.05.2012.
Введение
Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2 входит в состав спутника “Метеор-М” и предназначен для измерения спектров исходящего излучения атмосферы Земли. Измеряемые прибором спектры служат исходными данными для решения обратной задачи атмосферного зондирования и позволяют восстанавливать такие важные метеорологические параметры, как вертикальные профили температуры и влажности, содержание озона и др. На рис. 1 представлен внешний вид прибора, в таблице – его основные технические характеристики [1, 2].
В составе аппаратуры ИКФС-2 можно выделить оптико-механический блок (ОМБ), устанавливаемый непосредственно на платформе КА, и модуль электроники (МЭ), располагаемый в гермоотсеке. ОМБ включает (рис. 2):
–– модуль сканера (МС), предназначенный для сканирования полосы обзора и наведения
Радиационный холодильник
Модуль электроники Модуль сканера Модуль интерферометра Рис. 1. Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2.
на опорные источники излучения (бортовое черное тело и космос),
–– модуль интерферометра (МИ), обеспечивающий формирование интерференционного сиг-
52 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
Технические характеристики прибора ИКФС-2 Рабочий спектральный диапазон Спектральное разрешение Пороговая спектральная яркость [Вт м–2 ср–1 см], не более
Погрешность радиометрической калибровки, не более Угловой диаметр поля зрения по уровню 0,5 (или пространственное разрешение в надире) Полоса обзора Шаг пространственной сетки (шаг сканирования) Периодичность получения интерферограмм Информативность Масса прибора Энергопотребление в рабочем режиме
5–15 мкм (667–2000 см–1)
0,4 см–1
l = 6 мкм
l = 13 мкм
l = 15 мкм
3×10–4
1×10–4
3×10–4
0,5 K
не более 40 мрад 30 км
1000–2500 км
60–110 км
0,6 с
570 кбит/c
50 кг
50 Вт
бортовой модуль калибовки (БМК)
МОДУЛЬ СКАНЕРА
МОДУЛЬ ИНТЕРФЕРОМЕТРА
маятник интерферометра
модуль лазера реф. канала
коллиматор
уголковые отражатели
син-косин привод вращающ. зеркала трансф-р сканера
сигналы СКВТ D = 50 мм
2w = 40 мрад H = 835 км
светоделитель
компоновочное зеркало
фотоприемник реф канала
объектив
рефрентный канал
основной канал
1-я ступень РХ, T = 150 K
ФП 2-я ступень РХ, T = 80 K
РАДИАЦИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Рис. 2. Упрощенная функциональная схема оптико-механического блока прибора ИКФС-2.
нала как функции оптической разности хода между ветвями интерферометра,
–– радиационный холодильник (РХ), обеспечивающий охлаждение фотоприемника (ФП, фоторезистор КРТ) до температуры 80–82 K.
МЭ предназначен для управления работой прибора, предварительной обработки получаемых прибором данных и формирования пакетов научной и служебной информации.
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
53
Радиометрическая калибровка
Результатом фурье-преобразования регистрируемой прибором интерферограммы является комплексный спектр, выраженный в условных единицах. В процессе радиометрической и спектральной калибровки комплексный спектр преобразуется в истинный спектр объекта наблюдения, выраженный в абсолютных значениях физической величины (спектральной плотности энергетической яркости или яркостной температуры). Для этого необходимо знать спектральную чувствительность прибора и его собственное излучение, что требует проведения измерений двух опорных источников. На орбите в качестве таковых используются бортовое черное тело и излучение холодного космоса.
Основное уравнение радиометрической калибровки принимает вид
LÀÒÌ(n)= Reîìïïïïïïí
S(n)SÁÌÊ(n)
SÊÎÑÌ(n) - SÊÎÑÌ(n)
ýïïïïüþïïLÁÌÊ(n),
(1)
где S(n) – регистрируемый спектр излучения атмосферы, LАТМ(n) – спектральная плотность энергетической яркости атмосферы, SБМК(n) и SКОСМ(n) – регистрируемые спектры излучения бортового модуля калибровки (БМК) и космоса. Знаком “~” обозначается комплексная функция, Re{…} – оператор взятия действительной части, а запись 〈…〉 означает усреднение опорных спектров по N измерениям (для уменьшения радиометрического шума).
Такой алгоритм калибровки исключает имеющуюся фазовую дисперсию прибора во всем спектральном диапазоне. Действительная часть получаемого калиброванного спектра соответствует истинному спектру излучения объекта наблюдения (атмосферы), а мнимая часть используется для определения пороговой спектральной яркости NESR(n) (Noise Equivalent Spectral Radiance). Кроме того, такой алгоритм позволяет уменьшить радиометрический шум в спектре в корень из двух по сравнению с методикой калибровки, оперирующей модулями измеряемых спектров.
Однако, помимо случайной составляющей погрешности NESR(n), измерения содержат и систематическую ошибку, основными источниками которой являются нелинейность фотоприемника и неточность знания спектральной яркости БМК.
В ходе наземной калибровки прибора собственное излучение прибора регистрируется по наблюдению “холодного” черного тела (ХЧТ), охлаждадемого жидким азотом до 80 K. В качестве измеряемого объекта используется эталонное абсолютно черное тело (“горячее” черное тело, ГЧТ) с излучательной способностью eГЧТ(n) > 0,996, температура которого изменяется в диапазоне 250–325 K. Основными задачами наземной радиометрической калибровки прибора являются:
–– характеризация и разработка алгоритмов коррекции нелинейности фотоприемника,
–– определение спектральной яркости бортового модуля калибровки,
–– получение пороговой спектральной яркости NESR(n).
Проведение испытаний и первичные результаты
Испытания по радиометрической калибровке аппаратуры ИКФС-2 проводились на стенде тепловакуумных испытаний (СТВИ) предприятия “Центр Келдыша”. ОМБ прибора устанавливался на подвесе внутри вакуумной камеры (рис. 3). Напротив, также в подвесе, были установлены эталонное “горячее” (ГЧТ) и “холодное” (ХЧТ) черные тела. Модуль электроники (МЭ) вместе с контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) для управления прибором и регистрации информации располагался снаружи камеры. С помощью термостата, использующего в качестве теплоносителя тосол, точно задавалась температура эталонного источника (ГЧТ) в диапазоне 250–325 K. Охлаждение
азотные экраны (T = 80–100 K)
вакуумная камера (объем 27 м3)
“холодное” черное тело
ОМБ ИКФС-2
“горячее” черное тело
захсоолсауждидвлаяниятерГмЧоТстат ФП XRP-30S
КИА
МЭ ИКФС-2 и коммутатор
источники питания
крейтконтроллер
Рис. 3. Стенд для проведения радиометрической калибровки ИКФС-2.
54 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
9 ×10–3
Спектры ГЧТ при Тприб = 20 °С
Спектральная плотность, В/см –1
8 7
6
5
4
3 2 1
0 800
1000 1200 1400
Волновое число, см–1
1600
Рис. 4. Графики модулей регистрируемых спектров опорных черных тел.
ТГЧТ = 253 K ТГЧТ = 263 K ТГЧТ = 273 K ТГЧТ = 283 K ТГЧТ = 293 K ТГЧТ = 303 K ТГЧТ = 313 K ТГЧТ = 323 K
1800 2000
ф отоприемника осуществлялось жидким азотом по проточной схеме с помощью баллона XRP-30S, позволявшего точно регулировать величину избыточного давления. Кроме того, ОМБ прибора монтировался в блок нагревательных панелей для возможности изменения его температуры (на рис. 3 нагревательные панели не показаны). Давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 10–4 мм рт. ст., температура азотных экранов – 80–100 K.
Цикл измерений включал в себя последовательную запись интерферограмм эталонного (ГЧТ) черного тела, бортового модуля калибровки (БМК) и “холодного” черного тела (ХЧТ), имитирующего наблюдение космоса, при различных температурах ГЧТ в диапазоне 253–323 K с шагом 10 K. Аналогичные циклы были проведены при различных температурах прибора (ТПРИБ = 15, 20 и 23 °С), предусмотренных для эксплуатации на орбите. На рис. 4 приведены измеренные спектры эталонного черного тела, снятые при температуре прибора 20 °С.
Исходная погрешность определения яркостной температуры эталонного черного тела прибором (в предположении линейности фото приемного тракта и без учета зависимости излучательной способности бортового черного тела от волнового числа) составила несколько
градусов, значительно превышая требование технического задания, равное 0,5 K.
Методика радиометрической калибровки
Проведем рассмотрение фотоприемного тракта, вносящего нелинейные искажения в регистрируемый спектр. При этом будем учитывать, что основные искажения вносит фотоприемник (известно [3], что именно при использовании КРТ-фоторезисторов проблема нелинейности особенно актуальна). Тогда выражение для интерферограммы на выходе фотоприемника можно записать в виде [4, 5]:
IÍË (x)= (I(x)+ I0 )+ + a×(I(x)+ I0 )2 + b×(I(x)+ I0 )3 +...
(2)
Здесь I(x) – “идеальная” (линейная) интерфе рограмма; I0 – постоянная составляющая интерференционного сигнала; (a, b) – коэффициенты нелинейности ФП. Оценка постоянной составляющей I0 интерферограммы, не пропускаемой электронным трактом, проводится с использованием выражения:
I0
=
I ptp 2K
.
(3)
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
55
Здесь Iptp – размах (peak-to-peak) в интерферограмме, K – коэффициент, учитывающий контраст интерференции.
При использовании выражения (2) для коррекции нелинейности ФП следует отметить необходимость предварительного учета АЧХ и ФЧХ усилителя. АЧХ электронного тракта измеряется экспериментально. Трудности с экспериментального определения ФЧХ решаются с помощью сравнения фаз регистрируемых спектров для двух направлений перемещения маятника интерферометра (условно “левое” и “правое”)
îïíïïïìjjËÏ
(n) (n)
= =
+jÎÏÒ -jÎÏÒ
(n)+ (n)+
jÝË jÝË
((nn)),
(4)
где jЛ(n), jП(n) – фазы регистрируемых комплексных спектров, соответствующие “левому” и “правому” направлениям поворота маятника; jОПТ(n) – оптическая составляющая фазы, учитывающая, в первую очередь, дисперсию, вносимую неидеально скомпенсированным светоделителем; jЭЛ(n) – электронная состав ляющая фазы, учитывающая ФЧХ электронного тракта.
Определение неизвестных коэффициентов (a, b, K) проводится в результате процедуры оптимизации, минимизирующей оценочную функцию вида
MF(a, b, K) =
å=
1 M
M i=1
êëéLiÃ×Ò (n, a, b, K)- B(n, TÃi×Ò )ùúû2 .
(5)
Здесь LiГЧТ – спектральная яркость эталонного черного тела (ГЧТ), полученная с учетом процедуры калибровки, B(n, TГi ЧТ) – истинная спектральная яркость объекта наблюде-
ния, i = 1…M – номер измерения, соответ-
ствующий различным температурам объекта (TГi ЧТ = 253, 263…313 K).
После коррекции нелинейности ФП, вто-
рой наиболее важной задачей наземной радио-
метрической калибровки прибора является
определение спектральной яркости бортового
черного тела (БМК). В общем случае, при этом
необходимо разделять собственное излуче-
ние БМК, характеризуемое его температурой
и излучательной способностью, и отраженное
излучение, вклад которого становится суще-
ственным при e ≈ 0,995 и ниже
( )LÁÌÊ (n) = eÁÌÊ (n)B n, TÁÌÊ + å( ) ( )( )+ 1- eÁÌÊ (n) t1(i-1) (n)ei (n)B n, Ti sin2 qi2 -sin2qi1 .
i
(6)
Здесь Ti, ei(n) – температура и излучательная способность i-го элемента прибора, t1…(i – 1) (n) – функция пропускания оптической системы между i-компонентом и БМК, (sin2qi, 2 – – sin2qi, 2) – угловой коэффициент, определяющий телесный угол видимости приемником i-го компонента. Однако при обеспечении системой терморегулирования теплового режима с малой флуктуацией температур за виток необходимость в разделении собственного и отраженного излучения пропадает, и БМК можно характеризовать обобщенно спектральной яркостью. Необходимо заметить, что при увеличении температуры прибора вклад отраженной составляющей возрастает.
Полученные результаты
После применения описанной выше процедуры калибровки, включающей определение коэффициентов нелинейности фотоприемника
и излучательной способности бортового черного тела, остаточная погрешность радиометрической калибровки (систематическая составляющая) составила не более 0,5 K для всего измеряемого диапазона температур объекта (250–323) K (рис. 5).
На рис. 6 представлены измеренные результаты пороговой спектральной яркости летного образца ИКФС-2 (случайная составляющая радиометрической погрешности, радиометрический шум). Очевидно, что соответствие ТЗ имеет место во всем рабочем спектральном диапазоне за исключением полосы вблизи 6,4 мкм, наличие которой обусловлено сильным поглощением в просветляющих покрытиях. Применяемые многослойные покрытия в качестве материала с низким показателем преломления используют фториды, при нанесении которых не удается полностью обеспечить отсутствие влаги. В связи с этим использование спектральных каналов вблизи 6,4 мкм становится ограниченным.
56 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
Погрешность определения спектральной яркости объекта 6 в терминах эквивалентной температуры (Тприб = 20 °С)
ТГЧТ = 253 K 5 ТГЧТ = 263 K
ТГЧТ = 273 K 4 ТГЧТ = 283 K
ТГЧТ = 293 K 3 ТГЧТ = 303 K
ТГЧТ = 313 K 2 ТГЧТ = 323 K
1
dT, K
0 –1
–2 –3
Требование ТЗ: не более 0,5 K в диапазоне 11–12 мкм (830–910 см–1) для температур объекта 280–300 K
–4
–5 800
1000
1200
Волновое
числ1о4,00см–1
1600
Рис. 5. Остаточная погрешность определения спектральной яркости объекта.
1800
2000
×10–4 Пороговая спектральная яркость NESR
8
NESR, [Вт см м–2 ср–1]
7
6
5
Требование ТЗ 15 мкм (667 см–1)
3×10–4
4
3 Требование ТЗ 13 мкм (769 см–1)
2 1×10–4
1
0 800
1000 1200 1400
Волновое число, см–1
Рис. 6. Пороговая спектральная яркость NESR(n).
Требование ТЗ 6 мкм (1667 см–1) 3×10–4
1600 1800
2000
Заключение
приемника, а также определить спектральную яркость излучения бортового черного тела.
Разработанная методика радиометрической В результате остаточная погрешность радиоме-
калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2 по- трической привязки для летного образца соста-
зволяет характеризовать и корректировать вила не более 0,5 K, что удовлетворяет предъ-
при наземной обработке нелинейность фото- являемым требованиям.
* * * * *
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
57
ЛИТЕРАТУРА
1. Десятов А.В., Головин Ю.М., Завелевич Ф.С. Калибровка бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 2. С. 241–248.
2. Завелевич Ф.С., Головин Ю.М., Десятов А.В. Технологический образец бортового инфракрасного фурьеспектрометра ИКФС-2 для температурного и влажностного зондирования атмосферы Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Т. 1. С. 259–267.
3. Fiedler L., Newman S., Bakan S. Correction of detector nonlinearity in Fourier transform spectroscopy with a low-temperature blackbody // Appl. Opt. 2005. V. 4. № 25. Р. 5532–5540.
4. Algorithm Theoretical Basis Document for the Cross Track Infrared Sounder (CrIS): Sensor Data Records (SDR) // Release Date: 20.02.2009. Р. 199.
5. Dossier de definition des algorithmes IASI // Release Date: 06.01.2011. Р. 502.
58 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
УДК 681.785.574 53.088.3
РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА БОРТОВОГО ИНФРАКРАСНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА ИКФС-2 ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ВЛАЖНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
© 2013 г. Д. А. Козлов
ГНЦ ФГУП “Центр Келдыша”, Москва
Е-mail: dima_kozlov@mail.ru
Калибровка данных фурье-спектрометра заключается в преобразовании измеряемых прибором интерферограмм в спектры входного излучения с требуемой радиометрической и спектральной точностью. Основными задачами наземной радиометрической калибровки бортового фурье-спектрометра являются коррекция нелинейности фотоприемного устройства, определение спектральной яркости излучения бортового черного тела, а также определение пороговой спектральной яркости прибора. В статье представлены результаты радиометрической калибровки летного образца аппаратуры ИКФС-2, полученные при проведении тепловакуумных испытаний прибора на предприятии “Центр Келдыша”.
Ключевые слова: фурье-спектрометр, ИКФС-2, радиометрическая калибровка, коррекция нелинейности.
Коды OCIS: 120.6200, 300.6190, 300.6300, 300.6340.
Поступила в редакцию 21.05.2012.
Введение
Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2 входит в состав спутника “Метеор-М” и предназначен для измерения спектров исходящего излучения атмосферы Земли. Измеряемые прибором спектры служат исходными данными для решения обратной задачи атмосферного зондирования и позволяют восстанавливать такие важные метеорологические параметры, как вертикальные профили температуры и влажности, содержание озона и др. На рис. 1 представлен внешний вид прибора, в таблице – его основные технические характеристики [1, 2].
В составе аппаратуры ИКФС-2 можно выделить оптико-механический блок (ОМБ), устанавливаемый непосредственно на платформе КА, и модуль электроники (МЭ), располагаемый в гермоотсеке. ОМБ включает (рис. 2):
–– модуль сканера (МС), предназначенный для сканирования полосы обзора и наведения
Радиационный холодильник
Модуль электроники Модуль сканера Модуль интерферометра Рис. 1. Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2.
на опорные источники излучения (бортовое черное тело и космос),
–– модуль интерферометра (МИ), обеспечивающий формирование интерференционного сиг-
52 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
Технические характеристики прибора ИКФС-2 Рабочий спектральный диапазон Спектральное разрешение Пороговая спектральная яркость [Вт м–2 ср–1 см], не более
Погрешность радиометрической калибровки, не более Угловой диаметр поля зрения по уровню 0,5 (или пространственное разрешение в надире) Полоса обзора Шаг пространственной сетки (шаг сканирования) Периодичность получения интерферограмм Информативность Масса прибора Энергопотребление в рабочем режиме
5–15 мкм (667–2000 см–1)
0,4 см–1
l = 6 мкм
l = 13 мкм
l = 15 мкм
3×10–4
1×10–4
3×10–4
0,5 K
не более 40 мрад 30 км
1000–2500 км
60–110 км
0,6 с
570 кбит/c
50 кг
50 Вт
бортовой модуль калибовки (БМК)
МОДУЛЬ СКАНЕРА
МОДУЛЬ ИНТЕРФЕРОМЕТРА
маятник интерферометра
модуль лазера реф. канала
коллиматор
уголковые отражатели
син-косин привод вращающ. зеркала трансф-р сканера
сигналы СКВТ D = 50 мм
2w = 40 мрад H = 835 км
светоделитель
компоновочное зеркало
фотоприемник реф канала
объектив
рефрентный канал
основной канал
1-я ступень РХ, T = 150 K
ФП 2-я ступень РХ, T = 80 K
РАДИАЦИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Рис. 2. Упрощенная функциональная схема оптико-механического блока прибора ИКФС-2.
нала как функции оптической разности хода между ветвями интерферометра,
–– радиационный холодильник (РХ), обеспечивающий охлаждение фотоприемника (ФП, фоторезистор КРТ) до температуры 80–82 K.
МЭ предназначен для управления работой прибора, предварительной обработки получаемых прибором данных и формирования пакетов научной и служебной информации.
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
53
Радиометрическая калибровка
Результатом фурье-преобразования регистрируемой прибором интерферограммы является комплексный спектр, выраженный в условных единицах. В процессе радиометрической и спектральной калибровки комплексный спектр преобразуется в истинный спектр объекта наблюдения, выраженный в абсолютных значениях физической величины (спектральной плотности энергетической яркости или яркостной температуры). Для этого необходимо знать спектральную чувствительность прибора и его собственное излучение, что требует проведения измерений двух опорных источников. На орбите в качестве таковых используются бортовое черное тело и излучение холодного космоса.
Основное уравнение радиометрической калибровки принимает вид
LÀÒÌ(n)= Reîìïïïïïïí
S(n)SÁÌÊ(n)
SÊÎÑÌ(n) - SÊÎÑÌ(n)
ýïïïïüþïïLÁÌÊ(n),
(1)
где S(n) – регистрируемый спектр излучения атмосферы, LАТМ(n) – спектральная плотность энергетической яркости атмосферы, SБМК(n) и SКОСМ(n) – регистрируемые спектры излучения бортового модуля калибровки (БМК) и космоса. Знаком “~” обозначается комплексная функция, Re{…} – оператор взятия действительной части, а запись 〈…〉 означает усреднение опорных спектров по N измерениям (для уменьшения радиометрического шума).
Такой алгоритм калибровки исключает имеющуюся фазовую дисперсию прибора во всем спектральном диапазоне. Действительная часть получаемого калиброванного спектра соответствует истинному спектру излучения объекта наблюдения (атмосферы), а мнимая часть используется для определения пороговой спектральной яркости NESR(n) (Noise Equivalent Spectral Radiance). Кроме того, такой алгоритм позволяет уменьшить радиометрический шум в спектре в корень из двух по сравнению с методикой калибровки, оперирующей модулями измеряемых спектров.
Однако, помимо случайной составляющей погрешности NESR(n), измерения содержат и систематическую ошибку, основными источниками которой являются нелинейность фотоприемника и неточность знания спектральной яркости БМК.
В ходе наземной калибровки прибора собственное излучение прибора регистрируется по наблюдению “холодного” черного тела (ХЧТ), охлаждадемого жидким азотом до 80 K. В качестве измеряемого объекта используется эталонное абсолютно черное тело (“горячее” черное тело, ГЧТ) с излучательной способностью eГЧТ(n) > 0,996, температура которого изменяется в диапазоне 250–325 K. Основными задачами наземной радиометрической калибровки прибора являются:
–– характеризация и разработка алгоритмов коррекции нелинейности фотоприемника,
–– определение спектральной яркости бортового модуля калибровки,
–– получение пороговой спектральной яркости NESR(n).
Проведение испытаний и первичные результаты
Испытания по радиометрической калибровке аппаратуры ИКФС-2 проводились на стенде тепловакуумных испытаний (СТВИ) предприятия “Центр Келдыша”. ОМБ прибора устанавливался на подвесе внутри вакуумной камеры (рис. 3). Напротив, также в подвесе, были установлены эталонное “горячее” (ГЧТ) и “холодное” (ХЧТ) черные тела. Модуль электроники (МЭ) вместе с контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) для управления прибором и регистрации информации располагался снаружи камеры. С помощью термостата, использующего в качестве теплоносителя тосол, точно задавалась температура эталонного источника (ГЧТ) в диапазоне 250–325 K. Охлаждение
азотные экраны (T = 80–100 K)
вакуумная камера (объем 27 м3)
“холодное” черное тело
ОМБ ИКФС-2
“горячее” черное тело
захсоолсауждидвлаяниятерГмЧоТстат ФП XRP-30S
КИА
МЭ ИКФС-2 и коммутатор
источники питания
крейтконтроллер
Рис. 3. Стенд для проведения радиометрической калибровки ИКФС-2.
54 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
9 ×10–3
Спектры ГЧТ при Тприб = 20 °С
Спектральная плотность, В/см –1
8 7
6
5
4
3 2 1
0 800
1000 1200 1400
Волновое число, см–1
1600
Рис. 4. Графики модулей регистрируемых спектров опорных черных тел.
ТГЧТ = 253 K ТГЧТ = 263 K ТГЧТ = 273 K ТГЧТ = 283 K ТГЧТ = 293 K ТГЧТ = 303 K ТГЧТ = 313 K ТГЧТ = 323 K
1800 2000
ф отоприемника осуществлялось жидким азотом по проточной схеме с помощью баллона XRP-30S, позволявшего точно регулировать величину избыточного давления. Кроме того, ОМБ прибора монтировался в блок нагревательных панелей для возможности изменения его температуры (на рис. 3 нагревательные панели не показаны). Давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 10–4 мм рт. ст., температура азотных экранов – 80–100 K.
Цикл измерений включал в себя последовательную запись интерферограмм эталонного (ГЧТ) черного тела, бортового модуля калибровки (БМК) и “холодного” черного тела (ХЧТ), имитирующего наблюдение космоса, при различных температурах ГЧТ в диапазоне 253–323 K с шагом 10 K. Аналогичные циклы были проведены при различных температурах прибора (ТПРИБ = 15, 20 и 23 °С), предусмотренных для эксплуатации на орбите. На рис. 4 приведены измеренные спектры эталонного черного тела, снятые при температуре прибора 20 °С.
Исходная погрешность определения яркостной температуры эталонного черного тела прибором (в предположении линейности фото приемного тракта и без учета зависимости излучательной способности бортового черного тела от волнового числа) составила несколько
градусов, значительно превышая требование технического задания, равное 0,5 K.
Методика радиометрической калибровки
Проведем рассмотрение фотоприемного тракта, вносящего нелинейные искажения в регистрируемый спектр. При этом будем учитывать, что основные искажения вносит фотоприемник (известно [3], что именно при использовании КРТ-фоторезисторов проблема нелинейности особенно актуальна). Тогда выражение для интерферограммы на выходе фотоприемника можно записать в виде [4, 5]:
IÍË (x)= (I(x)+ I0 )+ + a×(I(x)+ I0 )2 + b×(I(x)+ I0 )3 +...
(2)
Здесь I(x) – “идеальная” (линейная) интерфе рограмма; I0 – постоянная составляющая интерференционного сигнала; (a, b) – коэффициенты нелинейности ФП. Оценка постоянной составляющей I0 интерферограммы, не пропускаемой электронным трактом, проводится с использованием выражения:
I0
=
I ptp 2K
.
(3)
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
55
Здесь Iptp – размах (peak-to-peak) в интерферограмме, K – коэффициент, учитывающий контраст интерференции.
При использовании выражения (2) для коррекции нелинейности ФП следует отметить необходимость предварительного учета АЧХ и ФЧХ усилителя. АЧХ электронного тракта измеряется экспериментально. Трудности с экспериментального определения ФЧХ решаются с помощью сравнения фаз регистрируемых спектров для двух направлений перемещения маятника интерферометра (условно “левое” и “правое”)
îïíïïïìjjËÏ
(n) (n)
= =
+jÎÏÒ -jÎÏÒ
(n)+ (n)+
jÝË jÝË
((nn)),
(4)
где jЛ(n), jП(n) – фазы регистрируемых комплексных спектров, соответствующие “левому” и “правому” направлениям поворота маятника; jОПТ(n) – оптическая составляющая фазы, учитывающая, в первую очередь, дисперсию, вносимую неидеально скомпенсированным светоделителем; jЭЛ(n) – электронная состав ляющая фазы, учитывающая ФЧХ электронного тракта.
Определение неизвестных коэффициентов (a, b, K) проводится в результате процедуры оптимизации, минимизирующей оценочную функцию вида
MF(a, b, K) =
å=
1 M
M i=1
êëéLiÃ×Ò (n, a, b, K)- B(n, TÃi×Ò )ùúû2 .
(5)
Здесь LiГЧТ – спектральная яркость эталонного черного тела (ГЧТ), полученная с учетом процедуры калибровки, B(n, TГi ЧТ) – истинная спектральная яркость объекта наблюде-
ния, i = 1…M – номер измерения, соответ-
ствующий различным температурам объекта (TГi ЧТ = 253, 263…313 K).
После коррекции нелинейности ФП, вто-
рой наиболее важной задачей наземной радио-
метрической калибровки прибора является
определение спектральной яркости бортового
черного тела (БМК). В общем случае, при этом
необходимо разделять собственное излуче-
ние БМК, характеризуемое его температурой
и излучательной способностью, и отраженное
излучение, вклад которого становится суще-
ственным при e ≈ 0,995 и ниже
( )LÁÌÊ (n) = eÁÌÊ (n)B n, TÁÌÊ + å( ) ( )( )+ 1- eÁÌÊ (n) t1(i-1) (n)ei (n)B n, Ti sin2 qi2 -sin2qi1 .
i
(6)
Здесь Ti, ei(n) – температура и излучательная способность i-го элемента прибора, t1…(i – 1) (n) – функция пропускания оптической системы между i-компонентом и БМК, (sin2qi, 2 – – sin2qi, 2) – угловой коэффициент, определяющий телесный угол видимости приемником i-го компонента. Однако при обеспечении системой терморегулирования теплового режима с малой флуктуацией температур за виток необходимость в разделении собственного и отраженного излучения пропадает, и БМК можно характеризовать обобщенно спектральной яркостью. Необходимо заметить, что при увеличении температуры прибора вклад отраженной составляющей возрастает.
Полученные результаты
После применения описанной выше процедуры калибровки, включающей определение коэффициентов нелинейности фотоприемника
и излучательной способности бортового черного тела, остаточная погрешность радиометрической калибровки (систематическая составляющая) составила не более 0,5 K для всего измеряемого диапазона температур объекта (250–323) K (рис. 5).
На рис. 6 представлены измеренные результаты пороговой спектральной яркости летного образца ИКФС-2 (случайная составляющая радиометрической погрешности, радиометрический шум). Очевидно, что соответствие ТЗ имеет место во всем рабочем спектральном диапазоне за исключением полосы вблизи 6,4 мкм, наличие которой обусловлено сильным поглощением в просветляющих покрытиях. Применяемые многослойные покрытия в качестве материала с низким показателем преломления используют фториды, при нанесении которых не удается полностью обеспечить отсутствие влаги. В связи с этим использование спектральных каналов вблизи 6,4 мкм становится ограниченным.
56 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013
Погрешность определения спектральной яркости объекта 6 в терминах эквивалентной температуры (Тприб = 20 °С)
ТГЧТ = 253 K 5 ТГЧТ = 263 K
ТГЧТ = 273 K 4 ТГЧТ = 283 K
ТГЧТ = 293 K 3 ТГЧТ = 303 K
ТГЧТ = 313 K 2 ТГЧТ = 323 K
1
dT, K
0 –1
–2 –3
Требование ТЗ: не более 0,5 K в диапазоне 11–12 мкм (830–910 см–1) для температур объекта 280–300 K
–4
–5 800
1000
1200
Волновое
числ1о4,00см–1
1600
Рис. 5. Остаточная погрешность определения спектральной яркости объекта.
1800
2000
×10–4 Пороговая спектральная яркость NESR
8
NESR, [Вт см м–2 ср–1]
7
6
5
Требование ТЗ 15 мкм (667 см–1)
3×10–4
4
3 Требование ТЗ 13 мкм (769 см–1)
2 1×10–4
1
0 800
1000 1200 1400
Волновое число, см–1
Рис. 6. Пороговая спектральная яркость NESR(n).
Требование ТЗ 6 мкм (1667 см–1) 3×10–4
1600 1800
2000
Заключение
приемника, а также определить спектральную яркость излучения бортового черного тела.
Разработанная методика радиометрической В результате остаточная погрешность радиоме-
калибровки фурье-спектрометра ИКФС-2 по- трической привязки для летного образца соста-
зволяет характеризовать и корректировать вила не более 0,5 K, что удовлетворяет предъ-
при наземной обработке нелинейность фото- являемым требованиям.
* * * * *
“Оптический журнал”, 80, 2, 2013
57
ЛИТЕРАТУРА
1. Десятов А.В., Головин Ю.М., Завелевич Ф.С. Калибровка бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 2. С. 241–248.
2. Завелевич Ф.С., Головин Ю.М., Десятов А.В. Технологический образец бортового инфракрасного фурьеспектрометра ИКФС-2 для температурного и влажностного зондирования атмосферы Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Т. 1. С. 259–267.
3. Fiedler L., Newman S., Bakan S. Correction of detector nonlinearity in Fourier transform spectroscopy with a low-temperature blackbody // Appl. Opt. 2005. V. 4. № 25. Р. 5532–5540.
4. Algorithm Theoretical Basis Document for the Cross Track Infrared Sounder (CrIS): Sensor Data Records (SDR) // Release Date: 20.02.2009. Р. 199.
5. Dossier de definition des algorithmes IASI // Release Date: 06.01.2011. Р. 502.
58 “Оптический журнал”, 80, 2, 2013