El interferómetro de sondeo atmosférico infrarrojo (IASI) es un espectrómetro por transformada de Fourier basado en el interferómetro de Michelson , asociado a 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 fin de misión en noviembre de 2021), en Metop-B (lanzado el 17 septiembre de 2012) y Metop-C lanzado en noviembre de 2018. [2]
IASI es un instrumento de visualización del nadir que registra espectros de emisión infrarroja de 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 el pronóstico del tiempo , las concentraciones de varios gases traza también se pueden recuperar de los espectros.
IASI pertenece a la clase de instrumentos espaciales de infrarrojos térmicos (TIR), que se dedican a la teledetección troposférica . Desde el punto de vista operativo, IASA sustituye a los instrumentos HIRS, mientras que desde el punto de vista científico continúa la misión de los instrumentos dedicados a la composición atmosférica, que también son instrumentos de visualización del nadir, los instrumentos de Transformada de Fourier (por ejemplo, el Experimento de Química Atmosférica). De este modo, combina las exigencias impuestas tanto por la meteorología (alta cobertura espacial y la química atmosférica) como por la precisión y la información vertical de los gases traza. [3] Diseñado por el Centre national d'Études Spatiales , ahora combina una buena cobertura horizontal y una resolución espectral moderada. [3] Su homólogo en la central nuclear de Suomi es la sonda infrarroja transversal (CrIS).
Según un acuerdo entre el CNES y EUMETSAT (Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos) , el primero se encargó del desarrollo del instrumento y del 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]
El rango espectral IASI se ha elegido de manera que el instrumento pueda registrar datos de los siguientes rangos: [3]
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, como se muestra en la siguiente tabla. Correspondientemente, 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 aproximadamente 2×1100 km. Aquí, con respecto a la dirección de vuelo de MetOp, el escaneo realizado por IASI comienza por la izquierda.
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 (15 en cada rama de 48°20′) posiciones en las que se realizan mediciones. Además de eso, hay dos vistas dedicadas a la calibración; de ahora en adelante, nos referiremos a ellas como 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 trayectoria, mide 39 km y a lo largo de la trayectoria, 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. IASI tarda alrededor de 8 segundos en adquirir datos de una vía completa y 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, la mayor parte del procesamiento de datos se realizará a bordo. Como tal, los datos transmitidos son un espectro codificado con bandas fusionadas y calibradas 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 para los datos IASI, numerados del 0 al 2. Primero, los datos del Nivel 0 brindan 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 observada.
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 sólo del 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 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 oscuridad, etc.). [7]
Un subsistema de procesamiento digital ejecuta una calibración radiométrica y una transformada inversa de Fourier para obtener los espectros sin procesar . [7]
El objetivo central del procesamiento de Nivel 0 es reducir la velocidad de transmisión calibrando los espectros en términos de radiometría y fusionando las bandas espectrales. Este se divide en tres subcadenas de procesamiento: [7]
El nivel 1 se divide en tres subniveles. Su objetivo principal es dar 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 de 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 la eliminación de toda 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 realizan de forma sinérgica con el conjunto de instrumentos ATOVS, AVHRR y 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 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 está guiada por el conocimiento de estas limitaciones, los recursos disponibles y las características específicas de la atmósfera que se desean investigar. [ cita necesaria ]
En general, los algoritmos se basan en el método de estimación óptimo . Básicamente, se trata de comparar los espectros medidos con un espectro a priori . A continuación, el modelo a priori se contamina con una determinada cantidad del elemento que se desea medir (p. ej. SO 2 ) 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 modo que el espectro simulado se parezca lo más posible al medido. Cabe señalar que se deben tener en cuenta una variedad de errores al perturbar el a priori, como el error a priori, el error instrumental o el error esperado. [8]
Alternativamente, los datos IASI Nivel 1 se pueden procesar mediante algoritmos de ajuste de mínimos cuadrados . Nuevamente, se debe tener en cuenta el error esperado [ cita necesaria ] .
La estructura principal de IASI está compuesta por 6 paneles sándwich que tienen un núcleo alveolar de aluminio y pieles 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 IASI en recintos independientes, optimizando el diseño de cada uno de esos recintos en particular. Por ejemplo, los componentes ópticos se pueden encontrar en un volumen cerrado que contiene sólo elementos de baja disipación, mientras que las esquinas del cubo son exteriores a este volumen. Además, el recinto que contiene el interferómetro está casi completamente desacoplado del resto del instrumento mediante aislamiento multicapa (MLI) . Esto determina una muy buena estabilidad térmica de 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 recintos específicos, como electrónica disipativa, 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 al interferómetro, la luz se encontrará con los siguientes instrumentos: [5]
Para reducir el ruido de fondo del instrumento y el ruido del detector termoelectrónico, la temperatura de la caja fría se mantiene a 93 K mediante un refrigerador criogénico pasivo. [9] Esto se prefirió a una máquina criogénica debido al hecho de que los niveles de vibración de esta última pueden causar 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 del hielo, se han añadido dos orificios iguales a las cavidades emisoras.
Además, era necesario garantizar la protección de la óptica fría contra la contaminación residual. Para conseguirlo se han realizado mejoras en la estanqueidad (fuelles y juntas).
IASI en la Agencia Espacial Europea
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )