El interferómetro de sondeo atmosférico infrarrojo (IASI) es un espectrómetro de transformada de Fourier basado en el interferómetro de Michelson , asociado con un sistema integrado de imágenes (IIS). [1]
Como parte de la carga útil de la serie MetOp de satélites meteorológicos en órbita polar , actualmente hay dos instrumentos IASI en funcionamiento: en MetOp-A (lanzado el 19 de octubre de 2006) y en Met-Op B (lanzado el 17 de septiembre de 2012) con el tercero previsto para su lanzamiento en 2018. [2]
IASI es un instrumento de visualización del nadir que registra espectros de emisión infrarroja de 645 a 2760 cm -1 a una resolución de 0,25 cm -1 (0,5 cm -1 después de la apodización ). Aunque está destinado principalmente a proporcionar información casi en tiempo real sobre la temperatura atmosférica y el vapor de agua para respaldar el pronóstico del tiempo , las concentraciones de varios gases traza también se pueden recuperar de los espectros.
Origen y desarrollo
IASI pertenece a la clase de instrumentos espaciales infrarrojos térmicos (TIR), que se dedican a la teledetección troposférica . En el aspecto operacional, está pensado como un reemplazo de los instrumentos HIRS, mientras que en el aspecto científico, continúa la misión de instrumentos dedicados a la composición atmosférica, que también son instrumentos de visualización del nadir, instrumentos de la Transformada de Fourier (por ejemplo, el Experimento de Química Atmosférica). Por lo tanto, combina las demandas impuestas por la meteorología (alta cobertura espacial y la química atmosférica), precisión e información vertical para gases traza. [3] Diseñado por el Centre national d'Études Spatiales , ahora combina una buena cobertura horizontal y una resolución espectral moderada. [3] Su contraparte en la central nuclear de Suomi es la sonda infrarroja Cross-track (CrIS).
En virtud de un acuerdo entre el CNES y EUMETSAT (Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos) , el primero fue responsable del desarrollo del instrumento y el software de procesamiento de datos. Este último es responsable de archivar y distribuir los datos a los usuarios, así como del funcionamiento del propio IASI. [4] [5] Actualmente, Alcatel Space es el contratista principal del proyecto y supervisa la producción de los modelos recurrentes. [5]
Características principales
Rango espectral
El rango espectral IASI se ha elegido de modo que el instrumento pueda registrar datos de los siguientes rangos: [3]
- fuerte absorción de dióxido de carbono alrededor de 15 μm
- absorción de ozono ν 2 alrededor de 9,6 μm
- vapor de agua ν 3 fuerte absorción
- absorción de metano hasta el borde de TIR
Como tal, el rango espectral de IASI es 645 - 2760 cm −1 (15,5 - 3,62 μm). Tiene 8461 muestras espectrales que están alineadas en 3 bandas dentro del rango espectral, que se muestra en la siguiente tabla. En consecuencia, la resolución espectral a la que se realizan las mediciones es de 0,5 cm -1 . [3] [6]
Banda | Números de onda (cm −1 ) | Longitud de onda (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 |
Cada banda tiene un propósito específico, como se muestra en la siguiente tabla: [5]
Banda | Nombre de la región | Región espectral (cm −1 ) | Banda de absorción | Uso |
---|---|---|---|---|
B1 | R1 | 650 - 770 | CO 2 | Perfil de temperatura |
B1 | R2 | 790 - 980 | Ventana atmosférica | Propiedades de superficie y nube |
B1 | R3 | 1000 - 1070 | O 3 | O 3 sonando |
B1 | R4 | 1080-1150 | Ventana atmosférica | Propiedades de superficie y nube |
B2 | R5 | 1210-1650 | H 2 O | Perfiles de humedad; Propiedades del CH 4 y N 2 O |
B3 | R6 | 2100 - 2150 | CO | Cantidad de columna de CO |
B3 | R7 | 2150 - 2250 | N 2 O y CO 2 | Perfil de temperatura; Cantidad de columna de N 2 O |
B3 | R8 | 2350 - 2420 | CO 2 | Perfil de temperatura |
B3 | R9 | 2420 - 2700 | Ventana atmosférica | Propiedades de la superficie y la nube |
B3 | R10 | 2700 - 2760 | CH 4 | Cantidad de columna de CH 4 |
Parámetros de muestreo
Como sistema de exploración transversal , IASI tiene un rango de exploración de 48 ° 20 ′ a cada lado de la dirección del nadir ; la franja correspondiente es entonces de alrededor de 2 × 1100 km. Aquí, con respecto a la dirección de vuelo de MetOp, el escaneo ejecutado por IASI comienza a la izquierda.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/en/thumb/5/50/Infrared_Atmospheric_Sounding_Interferometer_-_field_of_view.png/220px-Infrared_Atmospheric_Sounding_Interferometer_-_field_of_view.png)
Además, una línea de exploración nominal tiene tres objetivos que debe cubrir. Primero, un escaneo de la Tierra donde, dentro de cada paso, hay 30 posiciones (15 en cada rama de 48 ° 20 ′) en las que se realizan las mediciones. Además de eso, dos vistas dedicadas a la calibración; en adelante, se denominarán vistas de referencia . Uno de los dos se dirige al espacio profundo (referencia fría), mientras que el otro observa el cuerpo negro interno (referencia caliente). [1]
El campo de visión elemental (o efectivo) (EFOV) se define como el campo de visión útil en cada posición de escaneo. Cada uno de estos elementos consta de una matriz de píxeles circulares de 2 × 2 de lo que se denomina campos de visión instantáneos (IFOV) . Cada uno de los cuatro píxeles proyectados en el suelo es circular y tiene un diámetro de 12 km en el nadir. [1] La forma del IFOV en el borde de la línea de exploración ya no es circular: a lo largo de la vía, mide 39 km ya lo largo de la vía, 20 km. [6]
Por último, el campo de visión de IIS es un área cuadrada, cuyo lado tiene un ancho angular de 59,63 mrad. Dentro de esta área, hay 64 × 64 píxeles y miden la misma área que el EFOV anterior. [1]
Sistema de procesamiento de datos
El instrumento IASI produce alrededor de 1 300 000 espectros todos los días. IASI tarda alrededor de 8 segundos en adquirir datos de una pista completa y la calibración a bordo. El primero consta de 120 interferogramas, cada uno correspondiente a un píxel. [3] Por supuesto, como los investigadores están realmente interesados en los espectros, los datos recopilados por IASI deben pasar por varias etapas de procesamiento. [7]
Además, IASI tiene una tasa de transmisión de datos asignada de 1,5 megabits (Mb) por segundo. Sin embargo, la tasa de producción de datos es de 45 Mbit / s y, por lo tanto, la mayor parte del procesamiento de datos está programado para realizarse a bordo. Como tal, los datos transmitidos son un espectro codificado que se fusiona en bandas y se calibra aproximadamente. [7]
Además, hay una cadena de procesamiento fuera de línea ubicada en el Centro de conocimientos técnicos , también conocido como TEC. Su tarea es monitorear el rendimiento del instrumento, calcular los parámetros de inicialización de nivel 0 y 1 en relación con el punto anterior y calcular los productos IASI variables a largo plazo, así como monitorear el procesamiento en tiempo casi real (NTR) (es decir, niveles 0 y 1). [7]
Niveles de procesamiento IASI
Hay tres niveles de procesamiento para los datos IASI, numerados del 0 al 2. Primero, los datos del Nivel 0 dan la salida sin procesar de los detectores, que el Nivel 1 transforma en espectros aplicando FFT y las calibraciones necesarias, y finalmente, el Nivel 2 ejecuta técnicas de recuperación para describir el estado físico de la atmósfera que se observó.
Los dos primeros niveles están dedicados a transformar los interferogramas en espectros totalmente calibrados e independientes del estado del instrumento en un momento dado. Por el contrario, el tercero está dedicado a la recuperación de parámetros significativos no solo de IASI, sino también de otros instrumentos de MetOp. [7]
Por ejemplo, dado que se espera que el instrumento sea lineal en energía, se aplica una corrección de no linealidad a los interferogramas antes del cálculo de los espectros. A continuación, las dos vistas de referencia se utilizan para el primer paso de la calibración radiométrica. Un segundo paso, realizado en el suelo, se utiliza para compensar ciertos efectos físicos que se han ignorado en el primero (por ejemplo, corrección de incidencia para el espejo de exploración, efecto de no negrura, etc.). [7]
Un subsistema de procesamiento digital ejecuta una calibración radiométrica y una transformada de Fourier inversa para obtener los espectros en bruto . [7]
Nivel 0
El objetivo central del procesamiento de Nivel 0 es reducir la tasa de transmisión calibrando los espectros en términos de radiometría y fusionando las bandas espectrales. Se divide en tres subcadenas de procesamiento: [7]
- Preprocesamiento de interferograma que se ocupa de:
- la corrección de no linealidad
- detección de picos que evita el uso de interferogramas corruptos durante la calibración
- el cálculo de NZPD (muestreador numérico de la diferencia de ruta cero) que determina la muestra pivote correspondiente a la transformada de Fourier
- el algoritmo que aplica una transformada de Fourier al interferograma para dar el espectro correspondiente al interferograma medido.
- El cálculo de los coeficientes radiométricos y el filtrado.
- El cálculo de los espectros atmosféricos implica aplicar los coeficientes de calibración, fusionar las bandas y codificar los espectros.
- Al aplicar una ley de escala espectral, eliminar el desplazamiento y aplicar una máscara de bits a los espectros fusionados, la transmisión se realiza a una tasa promedio de 8.2 bits por muestra espectral, sin perder información útil.
Nivel 1
El nivel 1 se divide en tres subniveles. Su principal objetivo es dar la mejor estimación de la geometría del interferómetro en el momento de la medición. Varios de los parámetros del modelo de estimación se calculan mediante la cadena de procesamiento TEC y sirven como entrada para las estimaciones de Nivel 1. [7]
El modelo de estimación se utiliza como base para calcular un modelo más preciso mediante el cálculo de las funciones de apodización y calibración espectral correspondientes. Esto permite eliminar toda la variabilidad espectral de las mediciones. [7]
Nivel 1a
- El modelo de estimación se utiliza aquí para dar las posiciones espectrales correctas de las muestras de espectros, ya que las posiciones varían de un píxel a otro. Además, ahora se tienen en cuenta ciertos errores ignorados en el nivel 0, como que la emisividad del cuerpo negro no sea la unidad o la dependencia del espejo de escaneo de la temperatura. [7]
- Además, estima la geolocalización de IASI utilizando los resultados de la correlación de AVHRR y la imagen IIS calibrada. [6]
Nivel 1b
- Aquí, los espectros se vuelven a muestrear. Para realizar esta operación, los espectros del Nivel 1a son sobremuestreados por un factor de 5. Estos espectros sobremuestreados finalmente se interpolan en una nueva base de número de onda constante (0.25 cm −1 ), [7] usando un interpolación spline. [6]
Nivel 1c
- Se aplican las funciones de apodización estimadas. [7]
- Genera el análisis de conglomerados de radiancia basado en AVHRR dentro de IASI IFOV utilizando la función de dispersión de puntos de IASI . [6]
Nivel 2
Este nivel se ocupa de derivar parámetros geofísicos de las mediciones de radiancia: [1]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/en/thumb/8/8c/Carbon_monoxide_levels_-_IASI_-_3_day_average_15-08-2010.png/220px-Carbon_monoxide_levels_-_IASI_-_3_day_average_15-08-2010.png)
- Perfiles de temperatura
- Perfiles de humedad
- Cantidades de ozono columnar en capas gruesas
- Temperatura de la superficie
- Emisividad superficial
- Fraccional nube tapa
- Temperatura de la cima de la nube
- Presión de la cima de la nube
- Fase de nube
- Columna total de N 2 O
- Columna total de CO
- Columna total de CH 4
- Columna total de CO 2
- Covarianza de error
- Banderas de procesamiento e igualdad
Los procesos aquí se realizan de forma sinérgica con el conjunto de instrumentos ATOVS, AVHRR y los datos de pronóstico de la predicción meteorológica numérica. [1]
Métodos de investigación
Algunos investigadores prefieren utilizar sus propios algoritmos de recuperación, que procesan datos de nivel 1, mientras que otros utilizan directamente los datos de nivel 2 de IASI. Existen múltiples algoritmos para producir datos de Nivel 2, que difieren en sus supuestos y formulación y, por lo tanto, tendrán diferentes fortalezas y debilidades (que pueden investigarse mediante estudios de intercomparación). La elección del algoritmo se basa en el conocimiento de estas limitaciones, los recursos disponibles y las características específicas de la atmósfera que se desea investigar. [ cita requerida ]
En general, los algoritmos se basan en el método de estimación óptimo . Esto implica esencialmente comparar los espectros medidos con un espectro a priori . Posteriormente, el modelo a priori se contamina con una cierta cantidad del elemento que se desea medir (por ejemplo, SO 2 ) y los espectros resultantes se vuelven a comparar con los medidos. El proceso se repite una y otra vez, con el objetivo de ajustar la cantidad de contaminantes de manera que el espectro simulado se asemeje al máximo al medido. Debe tenerse en cuenta que se deben tener en cuenta una variedad de errores al perturbar el a priori, como el error en el a priori, el error instrumental o el error esperado. [8]
Alternativamente, los datos de IASI Nivel 1 pueden procesarse mediante algoritmos de ajuste de mínimos cuadrados . Nuevamente, se debe tener en cuenta el error esperado [ cita requerida ] .
Diseño
La estructura principal de IASI consta de 6 paneles sándwich que tienen un núcleo de nido de abeja de aluminio y revestimientos de cianato de carbono. De estos, el que soporta subconjuntos ópticos, electrónica y mecanismos se denomina panel principal . [1] [9]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/en/thumb/5/58/Internal_components_of_the_IASI_instrument_-_top_view.png/220px-Internal_components_of_the_IASI_instrument_-_top_view.png)
La arquitectura térmica del instrumento fue diseñada para dividir IASI en gabinetes independientes, optimizando el diseño de cada uno de estos gabinetes en particular. Por ejemplo, los componentes ópticos se pueden encontrar en un volumen cerrado que contiene solo elementos de baja disipación, mientras que las esquinas del cubo son exteriores a este volumen. Además, el recinto que contiene el interferómetro está casi totalmente desacoplado del resto del instrumento mediante aislamiento multicapa (MLI) . Esto determina una muy buena estabilidad térmica para la óptica del interferómetro: los gradientes temporal y espacial son inferiores a 1 ° C, lo que es importante para el rendimiento de la calibración radiométrica. Además, otros equipos están sellados en recintos específicos, como electrónica disipativa o fuentes LÁSER , o controlados térmicamente a través de la sección de control térmico de la estructura principal, por ejemplo, los mecanismos de escaneo o el cuerpo negro. [9]
Al entrar en el interferómetro, la luz encontrará los siguientes instrumentos: [5]
- Espejo de escaneo que proporciona la franja de ± 48,3 ° simétricamente con respecto al nadir. Además, visualiza el cuerpo negro frío y caliente de calibración (cuerpo negro interno y espacio profundo, respectivamente). Para el escaneo paso a paso de la escena, se utilizan cojinetes lubricados con fluido.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/en/thumb/5/5a/Internal_components_of_the_IASI_instrument_-_bottom_view.png/220px-Internal_components_of_the_IASI_instrument_-_bottom_view.png)
- Telescopio focal fuera del eje que transfiere el tope de apertura al espejo de escaneo.
- Interferómetro Michelson que tiene la estructura general del Interferómetro Michelson, pero dos espejos de esquina de cubo de carburo de silicio . La ventaja de utilizar reflectores de esquina sobre espejos planos es que estos últimos impondrían una alineación dinámica. [4]
- Espejos de enfoque plegables y fuera del eje, de los cuales el primero dirige el haz recombinado sobre el segundo. Esto da como resultado una imagen de la Tierra formándose en la entrada de la caja fría.
- La caja fría que contiene: topes de apertura , topes de campo , lente de campo que visualiza el tope de apertura en las esquinas del cubo, placas dicroicas que dividen todo el rango del espectro en las tres bandas espectrales, lentes que producen una imagen del tope de campo en la unidad de detección , tres planos focales que están equipados con micro lentes. Estos tienen la función de visualizar el tope de apertura en los detectores y preamplificadores.
Para reducir el fondo del instrumento y el ruido del detector termoelectrónico, la temperatura de la caja fría se mantiene en 93 K mediante un enfriador criogénico pasivo. [9] Esto se prefirió a una máquina criogénica debido al hecho de que los niveles de vibración de esta última pueden potencialmente causar la degradación de la calidad espectral. [4] [5]
Medidas contra la contaminación por hielo
La acumulación de hielo en las superficies ópticas determina la pérdida de transmisión. Para reducir la sensibilidad de IASI a la contaminación del hielo, las cavidades emisoras se han agregado con dos orificios pares.
Además, era necesario garantizar la protección de la óptica fría de la contaminación residual. Para conseguirlo, se han realizado mejoras de estanqueidad (fuelles y juntas).
Imágenes sugeridas
IASI en la Agencia Espacial Europea
- Perfil de producto de datos IASI
- Observaciones de IASI
- Representación de MetOp en órbita
enlaces externos
- IASI en el Centro Nacional de Estudios Espaciales
- IASI escaneando la Tierra
- IASI en TACT, LATMOS
- IASI en EODG, Universidad de Oxford
Referencias
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( ayuda ) - ^ Allen, Bob. "Metop es una serie de tres satélites meteorológicos en órbita polar que forman el componente del segmento espacial del sistema polar general EUMETSAT (EPS)" . EUMETSAT . EUMETSAT . Consultado el 24 de julio de 2014 .
- ^ 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). "Monitorización de la composición atmosférica mediante la sonda térmica infrarroja IASI / MetOp" . Química y Física Atmosféricas . 9 (16): 6041–6054. doi : 10.5194 / acp-9-6041-2009 .
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( ayuda ) - ^ "IASI" . http://www2.physics.ox.ac.uk/ . Consultado el 22 de julio de 2014 . Enlace externo en
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