적외선 대기 음향 간섭계

Infrared atmospheric sounding interferometer
이 기사는 지구 관측 우주 기구에 관한 것이다.다른 용도는 Isai(동음이의) 및 Jassy를 참조하십시오.

적외선 대기 음향 간섭계(IASI)는 통합 영상계(IIS)와 연관된 미셸슨 간섭계(Michelson Interferometer)를 기반으로 한 푸리에 변환 분광계다.[1]

MetOp 시리즈 극지궤도 기상위성의 탑재물의 일부로서, 현재 두 개의 IASI 계측기가 운영되고 있는데, MetOp-A(2006년 10월 19일 발사)와 Met-Op B(2012년 9월 17일 발사)는 2018년 발사 예정이다.[2]

IASI는 645~2760cm의−1 적외선 방출 스펙트럼을 0.25cm−1 분해능(apodization 후 0.5cm−1)으로 기록하는 난관 계측기다.주로 기상 예보를 지원하기 위해 대기 온도와 수증기에 대한 정보를 거의 실시간으로 제공하려고 의도되었지만, 다양한 미량 기체의 농도도 스펙트럼에서 검색할 수 있다.

기원과 발전

IASI는 대류권 원격 감지에 전념하는 우주 기반 계측기의 열적외선(TIR) 등급에 속한다.운용측에서는 HIRS 계측기의 대체용으로 의도된 반면, 과학측에서는 역시 시야가 좁은 대기 구성 전용 계측기(예: 대기 화학 실험)의 임무를 계속한다.따라서, 그것은 높은 공간 범위와 대기 화학 - 정확도와 미량 가스에 대한 수직적 정보 - 기상학 둘 다에 의해 부과되는 요구를 혼합한다.[3]중앙 국가 데투데스 스페이스틱스에 의해 디자인된, 그것은 이제 좋은 수평 커버리지와 적당한 스펙트럼 분해능을 결합했다.[3]수오미 NPP의 상대는 크로스 트랙 적외선 경보장치(CrIS)이다.

CNES와 유럽기상위성발굴기구(EUMETSAT)의 협약에 따라 전자는 계측기와 데이터 처리 소프트웨어 개발을 담당했다.후자는 데이터를 보관하고 이용자에게 배포하는 것은 물론 IASI 자체를 운영하는 책임을 진다.[4][5]현재 알카텔스페이스는 이 프로젝트의 주요 계약자로 반복 모델 제작을 총괄하고 있다.[5]

주요 특성

스펙트럼 범위

IASI 스펙트럼 범위는 계측기가 다음 범위의 데이터를 기록할 수 있도록 선택되었다.[3]

  • 이산화탄소 강흡수량은 약 15μm이다.
  • 오존 흡수 ν2 약 9.6μm
  • 수증기 ν3 강한 흡수
  • TIR 가장자리까지 메탄 흡수

이와 같이 IASI의 스펙트럼 범위는 645~2760cm−1(15.5~3.62μm)이다.아래 표와 같이 스펙트럼 범위 내에서 3개의 밴드로 정렬된 8461개의 스펙트럼 샘플을 가지고 있다.이에 상응하여, 측정이 이루어지는 스펙트럼 분해능은 0.5 cm이다−1.[3][6]

밴드 와버너머(cm−1) 파장(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

각 밴드는 다음 표와 같이 특정한 목적을 가지고 있다.[5]

밴드 지역명 스펙트럼 영역(cm−1) 흡수 밴드 사용법
B1 R1 650 - 770 CO2 온도 프로필
B1 R2 790 - 980 대기창 지표면 및 구름 특성
B1 R3 1000 - 1070 O3 O사운드잉3
B1 R4 1080 - 1150 대기창 지표면 및 구름 특성
B2 R5 1210 - 1650 H2O 습도 프로필;

CH4 및 NO2 속성
B3 R6 2100 - 2150 CO CO 컬럼 금액
B3 R7 2150 - 2250 NO2 및 CO2 온도 프로필;

열금액 없음2
B3 R8 2350 - 2420 CO2 온도 프로필
B3 R9 2420 - 2700 대기창 지표면 및 구름 특성
B3 R10 2700 - 2760 CH4 CH기둥량4

샘플링 파라미터

횡단 트랙 스캔 시스템으로서, IASI는 구역 방향의 양쪽에서 48°20㎛의 스캔 범위를 가지며, 그에 상응하는 스위치는 약 2×1100km이다.여기서, MetOp의 비행방향과 관련하여, IASI에 의해 실행된 스캐닝은 왼쪽에서 시작한다.

IASI의 시야는 비행 방향뿐만 아니라 각도 범위와 단계를 보여준다.이미지 크레딧: CNES

또한, 명목상의 스캔 라인은 반드시 커버해야 하는 세 개의 표적을 가지고 있다.첫째, 각 단계 내에서 측정이 이루어지는 30개(각 48°20° 분기에 15개)의 위치가 있는 지구의 스캔이다.그 외에도 교정 전용의 두 개의 뷰를 참조 뷰라고 한다.둘 중 하나는 깊은 공간(콜드 레퍼런스)으로 향하며, 다른 하나는 내부 흑체(핫 레퍼런스)를 관찰하고 있다.[1]

기본(또는 유효) 시야(EFOV)는 각 스캔 위치에서 유용한 시야로 정의된다.그러한 각 요소는 2×2 원형 픽셀 매트릭스라고 불리는 순간 시야(IFOV)로 구성된다.지상에 투사된 4개의 픽셀은 각각 원형이며, 나들목에서 직경이 12km이다.[1]스캔 라인 가장자리에 있는 IFOV의 모양은 더 이상 원형 상태가 아니다. 트랙을 가로지르고, 39km 및 트랙을 따라 20km이다.[6]

마지막으로 IIS 시야는 정사각형 영역이며, 그 측면의 각도는 59.63mrad이다.이 영역 내에는 64×64 픽셀이 있으며, 위 EFOV와 동일한 영역을 측정한다.[1]

데이터 처리 시스템

IASI 금융상품은 매일 약 1 300,000개의 스펙트럼을 생성한다.IASI가 트랙과 온보드 보정을 통해 하나의 완전한 데이터로부터 데이터를 획득하는 데 약 8초가 걸린다.전자는 120개의 인터페로그램으로 구성되어 있으며, 각각 1개의 픽셀에 해당한다.[3]물론 연구자들이 스펙트럼에 정말로 관심이 있기 때문에, IASI가 수집한 데이터는 처리의 여러 단계를 거쳐야 한다.[7]

더욱이 IASI는 할당된 데이터 전송 속도가 초당 1.5메가비트(Mb)이다.단, 데이터 생산률은 45Mbit/s이므로, 데이터 처리의 주요 부분이 탑재되도록 설정된다.이와 같이 전송된 데이터는 대역 병합 및 대략 교정되는 인코딩된 스펙트럼이다.[7]

또한 TEC라고도 하는 기술 전문 기술 센터에 오프라인 처리 체인이 있다.그 과제는 계측기 성능을 모니터링하고, 이전 지점과 관련된 수준 0과 수준 1 초기화 매개변수를 계산하며, 장기적 변동 IASI 제품을 계산하고, 근실시간(즉, 수준 0과 수준 1) 처리과정을 모니터링하는 것이다.[7]

IASI 처리 수준

IASI 데이터에 대한 이러한 처리 수준은 3가지로, 0부터 2까지이다.첫째, 레벨 0 데이터는 검출기의 원시 출력을 제공하며, 레벨 1은 FFT와 필요한 교정을 적용하여 스펙트럼으로 변환하며, 마지막으로 레벨 2는 관측된 대기의 물리적 상태를 설명하기 위해 검색 기법을 실행한다.

처음 두 레벨은 인터페로그람을 주어진 시간에 계측기 상태와 독립적으로 완전히 보정된 스펙트럼으로 변환하는 데 전념한다.이와는 대조적으로 세 번째는 IASI뿐만 아니라 MetOp의 다른 금융상품에서도 의미 있는 매개변수를 검색하는 데 전념하고 있다.[7]

예를 들어, 계측기는 에너지에서 선형적일 것으로 예상되므로 스펙트럼 계산 전에 비선형성 보정을 간섭광에 적용한다.다음으로, 두 개의 기준 뷰는 방사선량 교정의 첫 번째 단계에 사용된다.지면에서 수행되는 두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 무시된 특정 물리적 효과(예: 스캐닝 미러에 대한 발생 보정, 비흑인 효과 등)를 보상하는 데 사용된다.[7]

디지털 처리 하위시스템은 원시 스펙트럼을 얻기 위해 방사선량 보정 및 역 푸리에 변환을 실행한다.[7]

레벨 0

레벨 0 프로세싱의 중심 목표는 방사선 측정의 관점에서 스펙트럼을 교정하고 스펙트럼 대역을 병합하여 전송 속도를 줄이는 것이다.이것은 세 가지 가공 하위 체인으로 나뉜다.[7]

  • 다음 사항과 관련된 인터페로그램 사전 처리:
    • 비선형성 보정
    • 교정 중에 손상된 인터페로그램의 사용을 방지하는 스파이크 감지
    • 푸리에 변환에 해당하는 피벗 샘플을 결정하는 NZPD(Zero Path Change의 Number Sampler) 연산
    • 측정된 인터페로그램에 해당하는 스펙트럼을 제공하기 위해 인터페로그램에 푸리에 변환을 적용하는 알고리즘
  • 방사선계수 계산 및 필터링
  • 교정 계수 적용, 밴드 병합 및 스펙트럼 코딩과 관련된 대기 스펙트럼 연산.
    • 스펙트럼 스케일링 법칙을 적용하고 오프셋을 제거하고 병합된 스펙트럼에 비트 마스크를 적용함으로써 유용한 정보를 잃지 않고 스펙트럼 샘플당 평균 8.2비트의 속도로 전송을 수행한다.

레벨 1

레벨 1은 3개의 하위 레벨로 나뉜다.그것의 주요 목적은 측정 시 간섭계의 기하학적 형상에 대한 최선의 추정치를 제공하는 것이다.추정 모델의 몇몇 매개변수는 TEC 프로세싱 체인에 의한 계산이며 레벨 1 추정의 입력 역할을 한다.[7]

추정 모델은 해당 스펙트럼 보정 및 도파화 함수를 계산하여 보다 정확한 모델을 계산하기 위한 기초로 사용된다.이를 통해 측정의 모든 스펙트럼 가변성을 제거할 수 있다.[7]

레벨 1a
여기서 추정 모델은 스펙트럼 샘플의 정확한 스펙트럼 위치를 제공하는 데 사용된다. 왜냐하면 위치는 픽셀마다 다르기 때문이다.더욱이, 레벨 0에서 무시된 특정 오류는 이제 설명된다. 예를 들어 흑체가 단결하지 않는 복사성이나 온도에 대한 스캐닝 미러의 의존성.[7]
또한, AVHRR과 보정된 IIS 이미지의 상관관계에 따른 결과를 사용하여 IASI의 지리적 위치를 추정한다.[6]
레벨 1b
여기서 스펙트럼을 다시 샘플링한다.이 작업을 수행하기 위해 레벨 1a의 스펙트럼을 5의 인수로 과표본한다.이러한 과표본 스펙트럼은 입방 스플라인 보간법을 사용하여 새로운 일정 파수 기준(0.25cm−1)으로 보간된다.[7][6]
레벨 1c
추정된 도파화 함수가 적용된다.[7]
IASI 포인트 스프레드 함수를 사용하여 IASI IFOV 내에서 AVHRR에 기초한 광도 군집 분석을 생성한다.[6]

레벨 2

이 수준은 광도 측정에서 지구물리학적 파라미터를 도출하는 것과 관련이 있다.[1]

레벨 2 최종 제품의 예: 2010년 8월 15일 경의 3일 평균 CO 레벨.러시아에 대한 높은 가치는 산불 때문이다.이와는 대조적으로, 중국보다 높은 가치는 오염과 농업 화재의 주된 원인이다.저작권 2014 EMETSAT
  • 온도 프로필
  • 습도 프로필
  • 두껍게 쌓인 주상 오존량
  • 표면 온도
  • 표면유효도
  • 분수 클라우드 커버
  • 구름상층온도
  • 구름상부압
  • 클라우드 단계
  • NO의2 총 열
  • 총 CO 열
  • 총 CH4 열
  • 총2 CO 열
  • 오차 공분산
  • 처리 및 평등 플래그

이곳의 프로세스는 ATOVS 계기 세트, AVHRR과 함께 시너지 효과를 발휘하며, 수치 기상 예측의 예측 데이터를 활용한다.[1]

연구방법

일부 연구자들은 수준 1 데이터를 처리하는 자체 검색 알고리즘을 사용하는 반면, 다른 연구자들은 IASI 수준 2 데이터를 직접 사용한다.수준 2 데이터를 생성하기 위해 여러 알고리즘이 존재하며, 이는 가정과 공식에 따라 다르며 따라서 장단점이 다를 것이다(비교간 연구로 조사할 수 있다).알고리즘의 선택은 이러한 한계, 이용 가능한 자원 및 조사를 원하는 대기의 특정 특징에 대한 지식으로 유도된다.[citation needed]

일반적으로 알고리즘은 최적의 추정 방법을 기반으로 한다.여기에는 기본적으로 측정된 스펙트럼을 사전 스펙트럼과 비교하는 것이 포함된다.그 후 preri 모델은 측정하고자 하는 항목의 일정량(예: SO2)으로 오염되고 그 결과 스펙트럼은 측정된 것과 다시 비교된다.이 과정은 반복해서 반복되는데, 그 목적은 가능한 한 측정된 스펙트럼과 유사한 오염물질의 양을 조절하는 것이다.선험적 오류, 기악적 오류 또는 예상 오류와 같이 선험적 오류를 교란하는 동안 다양한 오류를 고려해야 한다는 점에 유의해야 한다.[8]

또는 IASI 수준 1 데이터는 최소 제곱 적합 알고리즘으로 처리할 수 있다.다시 한번 예상 오류를 고려해야[citation needed] 한다.

디자인

IASI의 주요 구조는 알루미늄 벌집형 코어와 청록산 탄소를 함유한 6개의 샌드위치 패널로 구성되어 있다.이 중에서 광학 서브 어셈블리, 전자제품, 메커니즘을 지원하는 것을 메인 패널이라고 한다.[1][9]

IASI 내부 견해(위)크레딧: CNES

금융상품의 열적 구조는 IASI를 독립된 엔클로저로 분할하여 특히 그러한 모든 엔클로저의 설계를 최적화하도록 설계되었다.예를 들어, 큐브 모서리가 이 볼륨의 외부에 있는 동안 광학 구성 요소는 낮은 분산 요소만 포함하는 닫힌 볼륨에서 찾을 수 있다.또한 간섭계를 포함하는 인클로저는 MLI(다층 절연)에 의해 계측기의 나머지 부분으로부터 거의 완전히 분리된다.이것은 간섭계의 광학계에 대해 매우 좋은 열 안정성을 결정한다: 시간 및 공간 구배는 1°C 미만이며, 이는 방사선 교정 성능에 중요하다.또한 다른 장비는 방산 전자장치나 레이저 선원과 같은 특정 외함에 밀봉되거나 주요 구조물의 열 제어 섹션을 통해 열적으로 제어된다(예:[9] 스캔 메커니즘 또는 흑체).

간섭계에 들어갈 때 조명은 다음과 같은 기기와 마주치게 된다.[5]

Nadir에 대해 대칭적으로 ±48.3°의 swath를 제공하는 스캔 미러.더욱이 교정을 핫바디와 콜드블랙바디(각각 내부 블랙바디와 깊은 공간)로 본다.단계별 장면 스캔에는 유체 윤활 베어링이 사용된다.
IASI 내부 견해(하단).크레딧: CNES
애퍼처 스톱을 스캔 미러에 전송하는 오프축 애초점 망원경.
Michelson Interferometer의 일반적인 구조를 가진 Michelson Interferometer, 그러나 두 개의 실리콘 카바이드 큐브 코너 미러.평면 미러보다 모서리 반사경을 사용하는 이점은 후자가 동적 정렬을 할 수 있다는 것이다.[4]
폴딩 및 오프축 포커싱 미러로, 첫 번째 미러가 재결합된 빔을 후자의 빔으로 유도한다.이것은 차가운 상자 입구에 지구의 이미지를 형성하는 결과를 낳는다.
포함하는 콜드 박스: 조리개 정지, 필드 스톱, 큐브 모서리의 조리개 스톱을 이미징하는 필드 렌즈, 전체 스펙트럼 범위를 세 개의 스펙트럼 밴드로 나누는 이분법 판, 검출 장치에 필드 스톱의 이미지를 생성하는 렌즈, 마이크로 렌즈를 장착한 세 개의 초점 평면.이들은 검출기와 프리앰프의 개구부 스톱을 이미지화하는 역할을 한다.

기기 배경과 열-엘록트로닉 검출기 소음을 줄이기 위해, 수동적 극저온 냉각기에 의해 콜드 박스의 온도가 93K로 유지된다.[9]이것은 극저온 기계보다 선호되었다. 왜냐하면 후자의 진동 수준이 스펙트럼 품질 저하를 야기할 수 있기 때문이다.[4][5]

얼음 오염에 대한 조치

광학 표면의 얼음 축적은 전송 손실을 결정한다.빙하 오염에 대한 IASI의 민감도를 줄이기 위해, 용해성 충치는 2개의 균일한 구멍으로 추가되었다.

더욱이, 냉간 광학기가 잔류 오염으로부터 보호되어야 했다.이를 위해 밀봉 개선(배와 관절)이 이뤄졌다.

제안 이미지

유럽우주국의 IASI

외부 링크

참조

  1. ^ a b c d e f g "4. IASI Level 2 Products Overview". oiswww.eumetsat.org. Retrieved 9 July 2014.
  2. ^ Allen, Bob. "Metop is a series of three polar orbiting meteorological satellites which form the space segment component of the overall EUMETSAT Polar System (EPS)". EUMETSAT. EUMETSAT. Retrieved 24 July 2014.
  3. ^ a b c d e Clerbaux, C.; Boynard, A.; Clarisse, L.; George, M.; Hadji-Lazaro, J.; Herbin, H.; Hurtmans, D.; Pommier, M.; Razavi, A.; Turquety, S.; Wespes, C.; Coheur, P.-F. (2009). "Monitoring of atmospheric composition using the thermal infrared IASI/MetOp sounder". Atmospheric Chemistry and Physics. 9 (16): 6041–6054. doi:10.5194/acp-9-6041-2009.
  4. ^ a b c Hébert, Ph.; Blumstein, D.; Buil, C.; Carlier, T.; Chalon, G.; Astruc, P.; Clauss, A.; Siméoni, D.; Tournier, B. (2004). "IASI instrument: technical description and measured performances". Proceedings of the 5th International Conference on Space Optics. 554: 49–56.
  5. ^ a b c d e Blumstein, D.; Chalon, G.; Carlier, T.; Buil, C.; Hébert, Ph.; Maciaszek, T.; Ponce, G.; Phulpin, T.; Tournier, B.; Siméoni, D.; Astruc, P.; Clauss, A.; Kayal, G.; Jegou, R. (2004). "IASI instrument: technical overview and measured performances". Proceedings of the SPIE. Infrared Spaceborne Remote Sensing XII. 5543: 196–207. doi:10.1117/12.560907.
  6. ^ a b c d e "4. IASI Level 1 Products Overview". oiswww.eumetsat.org. Retrieved 9 July 2014.
  7. ^ a b c d e f g h i j k l Tournier, Bernard; Blumstein, Denis; Cayla, Françoi-Régis. "IASI Level 0 and 1 processing algorithms description". Retrieved 14 July 2014. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
  8. ^ "IASI". .physics.ox.ac.uk/. Retrieved 22 July 2014.
  9. ^ a b c Siméoni, D.; Astruc, P.; Miras, D.; Alis, C.; Andreis, O.; Scheidel, D.; Degrelle, C.; Nicol, P.; Bailly, B.; Guiard, P.; Clauss, A.; Blumstein, D.; Maciaszek, T.; Chalon, G.; Carlier, T.; Kayal, G. (2004). "Design and development of IASI instrument". Proc. SPIE. Infrared Spaceborne Remote Sensing XII. 5543: 208–219. doi:10.1117/12.561090.