Interferómetro de sondeo atmosférico infrarrojo

El interferómetro de sondeo atmosférico infrarrojo (IASI) es un espectrómetro de transformada de Fourier basado en el interferómetro de Michelson , asociado a un sistema de imágenes integrado (IIS). ^{[ 1 ]}

Como parte de la carga útil de la serie MetOp de satélites meteorológicos de órbita polar , actualmente hay dos instrumentos IASI en funcionamiento: en MetOp-A (lanzado el 19 de octubre de 2006 con fin de misión en noviembre de 2021), en Metop-B (lanzado el 17 de septiembre de 2012) y Metop-C lanzado en noviembre de 2018. ^{[ 2 ]}

IASI es un instrumento de visión nadir que registra espectros de emisión infrarroja desde 645 hasta 2760  cm⁻¹ con un muestreo espectral ^de 0,25 cm⁻¹ y una resolución de 0,5 ^cm⁻¹ tras la apodización . Si bien su propósito principal es proporcionar información casi en tiempo real sobre la temperatura atmosférica y el vapor de agua para apoyar ^la predicción meteorológica , también se pueden obtener las concentraciones de diversos gases traza a partir de los espectros.  

IASI pertenece a la clase de instrumentos espaciales infrarrojos térmicos (TIR), que se dedican a la teledetección troposférica . En el lado operativo, IASA es un reemplazo para los instrumentos HIRS, mientras que en el lado científico, continúa la misión de los instrumentos dedicados a la composición atmosférica, que también son instrumentos de visión nadir, de transformada de Fourier (por ejemplo, el Experimento de Química Atmosférica). Así, combina las exigencias 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 el Suomi NPP es el Cross-track Infrared Sounder (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 del software de procesamiento de datos. El segundo es responsable del archivo y la distribución de los datos a los usuarios, así como de la operación del propio IASI. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Actualmente, Alcatel Space es el contratista principal del proyecto y supervisa la producción de los modelos recurrentes. ^{[ 5 ]}

El instrumento IASI produce alrededor de 1 300 000 espectros al día. IASI tarda aproximadamente 8 segundos en adquirir datos de una trayectoria transversal completa y la calibración a bordo. La primera consiste en 120 interferogramas, cada uno correspondiente a un píxel. ^{[ 3 ]} Por supuesto, dado que los investigadores están muy interesados ​​en los espectros, los datos recopilados por IASI deben pasar por varias etapas de procesamiento. ^{[ 7 ]}

Además, IASI tiene asignada una tasa de transmisión de datos de 1,5 megabits (Mb) por segundo. Sin embargo, la tasa de producción de datos es de 45  Mbit/s y, por lo tanto, gran parte del procesamiento de datos se realiza a bordo. En consecuencia, los datos transmitidos son un espectro codificado que se fusiona en bandas y se calibra aproximadamente. ^{[ 7 ]}

Además, existe una cadena de procesamiento fuera de línea ubicada en el Centro de Experiencia Técnica , 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 casi en tiempo real (NTR) (es decir, niveles 0 y 1). ^{[ 7 ]}

Niveles de procesamiento IASI

Existen tres niveles de procesamiento para los datos del IASI, numerados del 0 al 2. En primer lugar, los datos de Nivel 0 proporcionan la salida bruta de los detectores, que el Nivel 1 transforma en espectros aplicando la transformada rápida de Fourier (FFT) y las calibraciones necesarias, y finalmente, el Nivel 2 ejecuta técnicas de recuperación para describir el estado físico de la atmósfera observada.

Los dos primeros niveles se dedican a transformar los interferogramas en espectros completamente calibrados e independientes del estado del instrumento en un momento dado. Por el contrario, el tercero se dedica a la obtención 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 no lineal a los interferogramas antes del cálculo de los espectros. A continuación, se utilizan las dos vistas de referencia para el primer paso de la calibración radiométrica. Un segundo paso, realizado en tierra, se utiliza para compensar ciertos efectos físicos que se han ignorado en el primero (por ejemplo, corrección de incidencia para el espejo de escaneo, efecto de no negrura, etc.). ^{[ 7 ]}

Un subsistema de procesamiento digital ejecuta una calibración radiométrica y una transformada inversa de Fourier para obtener los espectros brutos . ^{[ 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. Esto se divide en tres subcadenas de procesamiento: ^{[ 7 ]}

• Preprocesamiento de interferogramas que se ocupa de:
  • la corrección de no linealidad
  • Detección de picos que impide el uso de interferogramas corruptos durante la calibración.
  • el cálculo de NZPD (Muestreador de número de la diferencia de trayectoria cero) que determina la muestra pivote correspondiente a la transformada de Fourier
  • el algoritmo que aplica una transformada de Fourier al interferograma para obtener el espectro correspondiente al interferograma medido.
• El cálculo de los coeficientes radiométricos y el filtrado
• El cálculo de los espectros atmosféricos implica la aplicación de los coeficientes de calibración, la fusión de las bandas y la codificación de los espectros.
  • Al aplicar una ley de escalado espectral, eliminar el desplazamiento y aplicar una máscara de bits a los espectros fusionados, la transmisión se realiza a una velocidad promedio de 8,2 bits por muestra espectral, sin perder información útil.

Nivel 1

El Nivel 1 se divide en tres subniveles. Su objetivo principal es proporcionar la mejor estimación de la geometría del interferómetro en el momento de la medición. Varios de los parámetros del modelo de estimación son calculados por la cadena de procesamiento TEC y sirven como entrada para las estimaciones del Nivel 1. ^{[ 7 ]}

El modelo de estimación se utiliza como base para calcular un modelo más preciso mediante el cálculo de las funciones de calibración espectral y apodización correspondientes. Esto permite eliminar toda la variabilidad espectral de las mediciones. ^{[ 7 ]}

Nivel 1a

El modelo de estimación se utiliza aquí para proporcionar 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 la emisividad del cuerpo negro que no es unitaria o la dependencia del espejo de escaneo con 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 remuestrean. Para realizar esta operación, los espectros del Nivel 1a se sobremuestrean por un factor de 5. Estos espectros sobremuestreados se interpolan finalmente en una nueva base de número de onda constante (0,25 cm⁻¹ ⁾ , ^{[ 7 ]} utilizando una interpolación de spline cúbico. ^{[ 6 ]}

Nivel 1c

Se aplican las funciones de apodización estimadas. ^{[ 7 ]}

Genera el análisis de clúster de radiancia basado en AVHRR dentro del IFOV de IASI utilizando la función de dispersión de punto de IASI . ^{[ 6 ]}

Nivel 2

Este nivel se ocupa de derivar parámetros geofísicos a partir de las mediciones de radiancia: ^{[ 1 ]}

• perfiles de temperatura
• Perfiles de humedad
• Cantidades de ozono columnar en capas gruesas
• Temperatura superficial
• emisividad superficial
• Cobertura nubosa fraccionada
• Temperatura de la cima de las nubes
• presión en la cima de las nubes
• fase de nubes
• 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 ]}

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 del IASI. Existen múltiples algoritmos para generar datos de Nivel 2, que difieren en sus supuestos y formulación, por lo que presentan distintas 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 desean investigar.

En general, los algoritmos se basan en el método de estimación óptima . Este método consiste esencialmente en 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, SO₂ ₎ y los espectros resultantes se comparan nuevamente 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 lo más posible al medido. Al modificar el modelo a priori, deben considerarse diversos errores, como el error inherente al modelo, el error instrumental o el error esperado. ^{[ 8 ]}

Alternativamente, los datos IASI Nivel 1 pueden procesarse mediante algoritmos de ajuste de mínimos cuadrados . Nuevamente, debe tenerse en cuenta el error esperado .

La estructura principal de IASI consta de 6 paneles sándwich con núcleo de nido de abeja de aluminio y revestimiento de cianato de carbono. De estos, el que soporta los subconjuntos ópticos, la electrónica y los mecanismos se denomina panel principal . ^{[ 1 ] [ 9 ]}

La arquitectura térmica del instrumento se diseñó para dividir el IASI en compartimentos independientes, optimizando el diseño de cada uno de ellos. Por ejemplo, los componentes ópticos se encuentran en un volumen cerrado que contiene únicamente elementos de baja disipación, mientras que las esquinas del cubo están fuera de este volumen. Además, el compartimento que contiene el interferómetro está casi completamente aislado del resto del instrumento mediante aislamiento multicapa (MLI) . Esto garantiza una excelente estabilidad térmica para la óptica del interferómetro: los gradientes temporales y espaciales son inferiores a 1  °C, lo cual es fundamental para el rendimiento de la calibración radiométrica. Asimismo, otros equipos, como la electrónica disipativa y las fuentes láser , están sellados en compartimentos específicos o controlados térmicamente mediante la sección de control térmico de la estructura principal, como 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 una franja de ±48,3° simétricamente alrededor del nadir. Además, permite observar el cuerpo negro caliente y frío de calibración (cuerpo negro interno y espacio profundo, respectivamente). Para el escaneo paso a paso de la escena, se utilizan cojinetes lubricados con fluido.

Telescopio afocal fuera del eje que transfiere el diafragma de apertura al espejo de exploración.

Interferómetro de Michelson que tiene la estructura general del interferómetro de Michelson, pero con dos espejos de esquina de cubo de carburo de silicio . La ventaja de usar reflectores de esquina en lugar de espejos planos es que estos últimos impondrían una alineación dinámica. ^{[ 4 ]}

Espejos plegables y de enfoque fuera del eje, de los cuales el primero dirige el haz recombinado hacia el segundo. Esto da como resultado la formación de una imagen de la Tierra en la entrada de la cámara frigorífica.

La caja fría contiene: diafragmas de apertura , diafragmas de campo , una lente de campo que proyecta la imagen del diafragma de apertura en las esquinas del cubo, placas dicroicas que dividen todo el rango espectral en tres bandas espectrales, lentes que producen una imagen del diafragma de campo en la unidad de detección y tres planos focales equipados con microlentes. Estas tienen la función de proyectar la imagen del diafragma de apertura en los detectores y preamplificadores.

Para reducir el ruido de fondo del instrumento y del detector termoelectrónico, la temperatura de la caja fría se mantiene a 93  K mediante un enfriador criogénico pasivo. ^{[ 9 ]} Se prefirió este método a una máquina criogénica debido a que los niveles de vibración de esta última pueden potencialmente causar la degradación de la calidad espectral. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

IASI en la Agencia Espacial Europea

• Perfil del producto de datos IASI
• observaciones del IASI
• Representación de MetOp en órbita

• IASI en el Centro Nacional de Estudios Espaciales
• IASI escaneando la Tierra
• IASI en TACT, LATMOS
• IASI en EODG, Universidad de Oxford. Archivado el 4 de septiembre de 2014 en Wayback Machine.