ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 6, с. 25-37
БОРТОВЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРЫ ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
© 2013 г. Ю. М. Головин1, Ф. С. Завелевич1, А. Г. Никулин1, Д. А. Козлов1*, Д. О. Монахов1, И. А. Козлов1, С. А. Архипов2, В. А. Целиков2, А. С. Романовский3
Государственный научный центр Российской Федерации — федеральное государственное унитарное предприятие
"Исследовательский центр им. М.В. Келдыша", Москва 2Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", Красногорск 3Научно-исследовательский институт информатики и систем управления Московского государственного
технического университета им. Н.Э. Баумана, Москва *E-mail: dima kozlov@mail.ru Поступила в редакцию 30.04.2013 г.
Бортовой инфракрасный (ИК) Фурье-спектрометр предназначен для измерения спектров исходящего излучения атмосферы Земли и служит для обеспечения нужд оперативной метеорологии и климатологии в части получения следующих видов информации: вертикальные профили температуры и влажности в тропосфере и нижней стратосфере, общее и высотное распределение озона, концентрации малых газовых составляющих, температура подстилающей поверхности и др. В настоящее время в ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" широко развернуты работы по созданию аппаратуры серии ИКФС для спутников на солнечно-синхронных орбитах: прибор ИКФС-2 для космического аппарата "Метеор-М" № 2 космического комплекса "Метеор-ЗМ" (разработан и поставлен для проведения испытаний в составе КА); перспективный прибор ИКФС-3 для гидрометеорологического и океанографического космического комплекса мониторинга Земли четвертого поколения "Метеор-МП" (в стадии разработки). В статье представлены состав, функциональная схема и технические характеристики ИК-Фурье-спектрометров.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, бортовой инфракрасный Фурье-спектрометр, ИКФС-2, ИКФС-3
DOI: 10.7868/S0205961413060018
ВВЕДЕНИЕ ния (до 1 км) и точности (по температуре — 1 К,
Исследования температуры, газового состава влажности - 1°-15%) можн° путем жачтетьто-атмосферы и характеристик подстилающей по- го улучшая спекгральной ра:зрешающей верхности являются одной из центральных задач собности ИК-з°ндир°вщик°в. Поэтому в США изучения атмосферы для целей климатологии и Европе и России широко развернуты работы по метеорологии. Для формирования глобальной си- созданию бортовой спектральной аппаратуры но-стемы наблюдений за состоянием суши, океанов и вого поколения. атмосферы необходимо объединить вклад различных систем наблюдений - и локальных (назем- В 2006 г был произведен запуск евр°пейск°го ных, самолетных, аэростатных), и спутниковых, спутника MetOp-A, в с°став кот^го входит фу-роль которых в последнее время существенно воз- рье-спектр°метр IASI (Infrared Atmospheric росла. Sounding Interferometer), в 2011 г. осуществлен заВ настоящее время точности и вертикальное пуск спутника Suomi NPP, на б°рту которото уста-разрешение большинства спутниковых измере- новлен Фурье-спектр°метр CrIS (Crass-track In-ний метеопараметров (2 К - по температуре, 20- frared Sounder). Защ^к отетест^жого ИК-Фу-30% - по влажности, 2-4 км - по вертикальному рье-спектр°метра (ИКФС) ИКФС-2 в тостам разрешению) не удовлетворяют современным космического аппарата (КА) "Метеор-М №2" международным требованиям для использования планируется в 2013 г. Кроме того, в настоящее их в анализе и прогнозе погоды. Добиться суще- время ведется разработка аппаратуры ИКФС-3 ственного повышения вертикального разреше- для космического комплекса "Метеор-МП".
Таблица 1. Характеристики ИК-зондировщиков температуры/влажности для низких околоземных орбит, отвечающие требованиям 2020 г.
Спектральный диапазон, мкм Спектральное разрешение, см-1 Число каналов NEAT, К Разрешение, км Полоса обзора, км Тип сканирования
3.6-16 0.25-0.5 4000-8000 0.2 @ 280 4-12 >2200 "кросс-надир"
В соответствии с классификацией Системы глобального наблюдения из космоса, утвержденной Всемирной метеорологической организацией (ВМО), Фурье-спектрометры ИКФС-2 и ИКФС-3 принадлежат к классу приборов "03" — ИК-зондировщик температуры/влажности для низкой околоземной орбиты (зарубежные аналоги — приборы IASI, CrIS).
В выпущенном в январе 2010 г. документе "Space-Based Global Observing System in 2010" сформулированы требования к приборам данного класса (табл. 1). Назначением приборов является измерение спектров исходящего излучения системы "атмосфера—поверхность".
ИНФРАКРАСНЫЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР ИКФС-2
ИКФС-2 состоит из оптико-механического блока (ОМБ), устанавливаемого в открытом космосе на приборной платформе КА, и модуля электроники, располагаемого в гермоотсеке. ОМБ включает в себя модуль сканера, модуль интерферометра и радиационный холодильник.
Радиационный холодильник
Модуль интерферометра
Модуль электронный
Рис. 1. Бортовой ИК-Фурье-спектрометр ИКФС-2.
Внешний вид прибора представлен на рис. 1. Технические характеристики ИКФС-2 в сравнении с приборами-аналогами представлены в табл. 2. На рис. 2 представлена функциональная схема ОМБ прибора ИКФС-2.
Модуль сканера устанавливается перед входным окном модуля интерферометра и предназначен для сканирования полосы обзора (шириной до 2500 км в режиме полного покрытия) и наведения на опорные источники излучения (бортовое черное тело и космос) при проведении калибровочных измерений. Полоса обзора и шаг пространственной сетки могут изменяться путем подачи функциональной команды с Земли. Зеркало сканера изготовлено из алюминиевого сплава, его внешняя поверхность покрыта золотом, что обеспечивает высокий коэффициент отражения по всему спектральному диапазону, а также минимизирует вносимую зеркалом сканера поляризацию. Зеркало установлено под углом 45° к оптической оси и разворачивается вокруг нее в заданном диапазоне азимутальных углов. Поворот зеркала сканера осуществляется шаговым двигателем по командам, вырабатываемым электронным модулем. Для обеспечения требования равномерности шага пространственной сетки используется редуктор.
В состав модуля сканера входит бортовой модуль калибровки (БМК), представляющий собой компактную модель абсолютно черного тела. Ввиду наличия ограничений по габаритам черное тело не может быть реализовано по традиционной полостной схеме, поэтому БМК выполняется в виде набора концентрических колец, образующих цилиндр толщиной 20 мм с кольцевыми углублениями конусообразного профиля. Расчетная степень черноты рабочей поверхности излучателя составляет не менее 0.98, при этом рабочая температура БМК - 40°С.
Модуль интерферометра (МИ) предназначен для формирования интерферограммы входного излучения, представляющей собой зависимость регистрируемого фотоприемниками сигнала от оптической разности хода. МИ представляет собой пы-левлагонепроницаемую конструкцию, внутренняя полость которой при работах на Земле для устранения влаги заполнена сухим азотом. При выводе прибора за пределы атмосферы избыточное давление внутри корпуса стравливается через клапан, расположенный на боковой стенке.
Таблица 2. Технические характеристики ИК-Фурье-спектрометров для солнечно-синхронных орбит
ИКФС-2 IASI CrIS ИКФС-3
Платформа/дата запуска Метеор-М № 2, 2013 г. MetOP, 2006 г. NPP, 2011 г. Метеор-МП, 2017 г.
Спектральный диапазон, см-1 667-2000 LW: 645-1210 MW: 1210-2000 SW: 2000-2760 LW: 650-1095 MW: 1210-1750 SW: 2155-2550 LW: 645-1200 MW: 1200-2000 SW: 2000-2760
Спектральное разрешение не более 0.5 0.5 (с учетом аподизации) LW: 0.625 MW: 1.25 SW: 2.5 LW: 0.35 MW: 0.45 SW: 0.55
Поле зрения (в надире) * 35 х 35 км2 48 х 48 км2 48 х 48 км2 50 х 50 км2
Мгновенное поле зрения (в надире), км * 35 х 35 км2 0 12 0 14 не более 15
Полоса обзора, км шаг сетки, км 1000-2500 км 60-110 км 2200 км, ± 48.2° 30 шагов, 24 км 2200 км, ± 48°30 шагов, 16 км 2200 км, ±48.6° 28 шагов, 30 км
ОТёТ@280К ** 15 мкм: 0.2 К 13 мкм: 0.065 К 6 мкм: 0.93 К LW: 0.2-0.3 K MW: 0.2-0.5 K SW: 0.5-2.0 K LW: 0.24-0.39 K MW: 0.19-0.28 K SW: 0.18-0.21 K 15 мкм: 0.47 К 5.7 мкм: 0.6 К 4.2 мкм: 2.9 К
Время съема интерферограмм, с 0.5 0.15 0.16 0.2
Входной зрачок, мм 0 50 0 80 0 80 0 80
Масса, кг 50 200 165 не более 210
Потребляемая мощность, Вт 50 240 123 не более 200
Информативность, Мбит/с 0.6 1.5 1.5 3.5
Примечание. * Мгновенное поле зрения определяется размерами одного чувствительного элемента фотоприемника (ФП), в отличие от полного поля зрения, определяемого также количеством и взаимным расположением чувствительных элементов. В ИКФС-2 используется одноплощадочный ФП.
** Значения пороговой спектральной яркости КЕЗЯ [Вт/(м2 • ср • см-1)] для прибора ИКФС-2, соответствующие указанным значениям пороговой разности температур НЕИТ, следующие (см. рис. 6): 3 х 10-4 (15 мкм), 1 х 10-4 (13 мкм), 3 х 10-4 (6 мкм). Значения NESR, как и МЕ(!Т, характеризуют уровень радиометрического шума в спектрах, т.е. случайную составляющую погрешности определения спектральной яркости объекта.
МИ построен по схеме Майкельсона с уголковыми отражателями (УО) вместо плоских зеркал. Использование УО значительно облегчает требования, предъявляемые к точности перемещения зеркал, и, кроме того, позволяет применить механизм сканирования по разности хода "двойной маятник". В данной схеме одновременный поворот двух УО учетверяет значение достигаемой разности хода (относительно механического смещения). Светоделитель и компенсатор выполнены из селенида цинка, который в отличие от бромида калия не является гигроскопичным.
Для формирования опросных импульсов, по которым производится привязка интерферограммы к шкале разности хода (соответственно получаемых спектров к шкале волновых чисел), а также для управления и стабилизации скорости изменения разности хода между ветвями интерферометра используется референтный канал. Излучение лазера референтного канала вводится в интерферометр через оптическое волокно и коллиматор, но в отли-
чие от излучения измерительного канала излучение лазера проходит в краевых зонах светодели-тельной и компенсаторной пластин. Для этого на два сегмента светоделителя нанесено светодели-тельное диэлект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.