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 operación: 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]
El IASI es un instrumento de observación del nadir que registra espectros de emisión infrarroja desde 645 a 2760 cm −1 con una resolución de 0,25 cm −1 (0,5 cm −1 después de la apodización ). Aunque su objetivo principal es proporcionar información casi en tiempo real sobre la temperatura atmosférica y el vapor de agua para respaldar la previsión meteorológica , también se pueden recuperar de los espectros las concentraciones de varios gases traza.
El IASI pertenece a la clase de instrumentos espaciales de infrarrojo térmico (TIR), que se dedican a la teledetección troposférica . En el lado operativo, el IASA es un sustituto de 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 del nadir, transformada de Fourier (por ejemplo, Atmospheric Chemistry Experiment). De este modo, combina las demandas impuestas tanto por la meteorología (alta cobertura espacial) como por la química atmosférica (precisión e información vertical para gases traza). [3] Diseñado por el Centro Nacional de Estudios Espaciales , ahora combina una buena cobertura horizontal y una resolución espectral moderada. [3] Su homólogo en el Suomi NPP es el Cross-track Infrared Sounder (CrIS).
En virtud de un acuerdo entre el CNES y la EUMETSAT (Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos) , el primero se encargó del desarrollo del instrumento y del software de procesamiento de datos, mientras que el segundo se encargó del archivo y la distribución de los datos a los usuarios, así como de la explotación del propio IASI. [4] [5] Actualmente, Alcatel Space es el contratista principal del proyecto y supervisa la producción de los modelos recurrentes. [5]
El rango espectral IASI se ha elegido de modo que el instrumento pueda registrar datos de los siguientes rangos: [3]
Como tal, el rango espectral del IASI es de 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 muestran en la tabla siguiente. En consecuencia, la resolución espectral con la que se realizan las mediciones es de 0,5 cm −1 . [3] [6]
Cada banda tiene un propósito específico, como se muestra en la siguiente tabla: [5]
Como sistema de escaneo transversal , IASI tiene un rango de escaneo 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.
Además, una línea de escaneo 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 mediciones. Además de eso, dos vistas dedicadas a la calibración, de ahora en adelante, se las denominará vistas de referencia . Una de las dos está dirigida al espacio profundo (referencia fría), mientras que la otra 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 consiste en una matriz de píxeles circular de 2×2 de lo que se denomina campos de visión instantáneos (IFOV) . Cada uno de los cuatro píxeles proyectados sobre el terreno es circular y tiene un diámetro de 12 km en el nadir. [1] La forma del IFOV en el borde de la línea de escaneo ya no es circular: a lo ancho de la pista, mide 39 km y a lo largo de la pista, 20 km. [6]
Por último, el campo de visión del 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]
El instrumento IASI produce alrededor de 1.300.000 espectros cada día. El IASI tarda unos 8 segundos en adquirir datos de un espectro completo y de la calibración a bordo. El primero consta de 120 interferogramas, cada uno de los cuales corresponde a un píxel. [3] Por supuesto, como los investigadores están realmente interesados en los espectros, los datos recopilados por IASI tienen que pasar por varias etapas de procesamiento. [7]
Además, IASI tiene una velocidad de transmisión de datos asignada de 1,5 megabits (Mb) por segundo. Sin embargo, la velocidad de producción de datos es de 45 Mbit/s y, por lo tanto, una parte importante del procesamiento de datos se realiza a bordo. Como tal, los datos transmitidos son un espectro codificado que está fusionado en bandas y calibrado de forma aproximada. [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 en tiempo casi real (NTR) (es decir, niveles 0 y 1). [7]
Hay tres niveles de procesamiento de datos IASI, numerados del 0 al 2. Primero, los datos de Nivel 0 proporcionan la salida bruta 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, se utilizan las dos vistas de referencia para el primer paso de la calibración radiométrica. Se utiliza un segundo paso, realizado en tierra, 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 de Fourier inversa para obtener los espectros brutos . [7]
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]
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 se calculan mediante la cadena de procesamiento del 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 calculando las funciones de calibración espectral y apodización correspondientes. Esto permite eliminar toda la variabilidad espectral de las mediciones. [7]
Este nivel se ocupa de derivar parámetros geofísicos a partir de las mediciones de radiancia: [1]
Los procesos aquí se llevan a cabo sinérgicamente 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 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 guía por 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 óptima . 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 comparan una vez más 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 parezca lo más posible al medido. Debe tenerse en cuenta que se deben tener en cuenta diversos errores al perturbar el a priori, como el error en el a priori, el error instrumental o el error esperado. [8]
Como alternativa, los datos de nivel 1 de IASI se pueden procesar mediante algoritmos de ajuste por mínimos cuadrados . Nuevamente, se debe tener en cuenta el error esperado [ cita requerida ] .
La estructura principal de IASI está formada por 6 paneles sándwich que tienen un núcleo de nido de abeja de aluminio y capas 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 fue diseñada para dividir el IASI en compartimentos independientes, optimizando el diseño de cada uno de ellos en particular. Por ejemplo, los componentes ópticos se pueden encontrar en un volumen cerrado que contiene solo elementos poco disipativos, mientras que las esquinas del cubo están fuera de este volumen. Además, el compartimento que contiene el interferómetro está casi completamente desacoplado del resto del instrumento mediante un aislamiento multicapa (MLI) . Esto determina una muy buena estabilidad térmica para la óptica del interferómetro: los gradientes temporales y espaciales son inferiores a 1 °C, lo que es importante para el rendimiento de la calibración radiométrica. Además, otros equipos están sellados en compartimentos específicos, como la electrónica disipativa, las fuentes láser o se controlan 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 se encontrará con los siguientes instrumentos: [5]
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] Esto se prefirió a una máquina criogénica debido al hecho de que los niveles de vibración de esta última pueden causar potencialmente la degradación de la calidad espectral. [4] [5]
La acumulación de hielo en las superficies ópticas determina la pérdida de transmisión. Para reducir la sensibilidad del IASI a la contaminación por hielo, se han añadido dos orificios uniformes a las cavidades emisoras.
Además, era necesario garantizar la protección de la óptica fría frente a la contaminación residual. Para ello se han realizado mejoras en el sellado (fuelles y juntas).
IASI en la Agencia Espacial Europea
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