1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学电子电气与通讯工程学院, 北京 100049
4 清华大学精密仪器系, 北京 100084
发射于2016年12月11日的风云四号卫星上搭载了国际上首台工作于静止轨道的高光谱红外大气垂直探测仪(GIIRS), 该仪器主要用于探测地球大气的温度和湿度的垂直分布和变化, 观测的数据实时同化到GRAPES全球预报系统, 首次实现了大范围、高频次针对敏感区的卫星高光谱探测和实时资料同化应用, 对目前的气象预报能力产生显著影响, 尤其对台风强度和路径的预报更加精准.本文简要介绍了风四大气垂直探测仪的测量原理和在天气预报中的应用情况, 并对未来的发展趋势给予了展望.
信息技术系统性应用 大气垂直探测仪 傅里叶高光谱探测 气象预报 systematic application of information technology atmospheric vertical sounder Fourier hyperspectral detection weather prediction
Author Affiliations
Abstract
1 Center of Interferometer R&D, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
2 Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
3 Third Engineering Department, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
4 Infrared Imaging Material and Device Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
5 Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
6 Department of Optical Coatings and Materials, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
7 Space Cryocooler System Laboratory, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
8 State Key Laboratory of Transducer Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200082, China
To measure the global atmospheric three-dimensional distribution and change of temperature and humidity is one of the key areas in atmospheric remote sensing detection; it is also a new research and development direction in the field of meteorological satellite application. As a main element of China second generation of geostationary meteorological satellite Fengyun 4 (FY-4), which was launched on Dec. 11, 2016, the Geostationary Interferometric Infrared Sounder (GIIRS) is the first interferometric infrared sounder working on geostationary orbit internationally. It is used for vertical atmospheric sounding and gains atmospheric temperature, humidity, and disturbances. The combination of Fourier transform spectrometer technology and infrared detectors makes GIIRS have high spectral resolution and large coverage over spatial areas. With this kind of instrument, meteorological satellites can improve the capabilities for severe weather event monitoring and numerical weather prediction. Here a concise review of the GIIRS development project, including its history, missions and functions, technical design, key technologies, system integration, calibration and in-orbit operation status, etc., is presented.
120.3180 Interferometry 120.4820 Optical systems 120.6200 Spectrometers and spectroscopic instrumentation 300.6300 Spectroscopy, Fourier transforms Chinese Optics Letters
2018, 16(11): 111203
在傅里叶变换光谱仪(FTS)中,精确获取每个干涉信号采样点处的光程差是获取光谱图的关键。动镜速度的波动会对等时间采样造成采样误差,而当目标光源波长较短时无法直接利用传统方法进行等光程差采样。分析了速度波动误差对光谱的影响,并提出了一种基于拟合算法计算干涉信号每个采样点处光程差的方法,在动镜速度波动较大的情况下对可见光波段的干涉信号进行采样反演。实验结果表明,此方法准确度高,适用于各种傅里叶变换光谱仪。
傅里叶变换光谱仪 光谱反演 拟合算法 可见光谱 FTS spectrum recovery fitting algorithm vis spectrum
1 中国科学院 上海技术物理研究所,上海 200083
2 中国科学院 红外探测与成像技术重点实验室,上海200083
分析了太空失重对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响。针对动镜系统受重力影响的两个关键因素,提出了解决措施,并设计了实验室验证方法。考虑空间和地面重力环境的不同,分析了动镜未被驱动时重力对初始定位的影响和动镜被驱动后重力对运动机构回复力矩的影响。设计了精密初始机械限位使动镜从固定起始点开始运动控制,并且采用闭环PID控制与在轨可调整期望运动规律相结合的控制方法来校正动镜机构等效扭转刚度的变化。最后,提出了将整个动镜机构倒置的方式进行地面验证,并设计了动镜正、负位移不对称性偏差以及匀速区速度波动的性能测量方法。实验结果表明,正置和倒置时动镜正、负位移的不对称性偏差可以控制在6 μm以内,其匀速区的速度波动均方根值分别为1.4％和1.1％。实验显示提出的解决方法简单可靠,性能指标满足傅里叶光谱仪的要求,为动镜系统的空间应用提供了技术途径。
傅里叶光谱仪 动镜系统 失重 零光程差位置 机械限位 闭环控制 Fourier transform spectrometer moving mirror system weightlessness position of zero optical path difference mechanical limit closed loop control
中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
红外焦平面探测器广泛应用于**和科学探测等领域,由于其探测单元多,信号的输出一般采用读出电路结构,因此,信号的获取与单元型探测器有本质区别。针对32×32元焦平面探测器的信号获取,对相关的软硬件进行了设计与调试,最终完成了包括探测器偏置电路设计、探测器读出时序设计、多通道数据采集和传输于一体的系统集成,成功实现对焦平面探测器干涉信号获取。实验证明采用红外焦平面,通过边积分边读出,先积分后读出的工作模式可以完成对干涉信号的采样,采用16通道并行采样和分时输出,可以实现干涉信号的有效传输和数据存储。
文字间用 号隔开空半格傅里叶光谱仪 焦平面 干涉 边积分边读出 Fourier transform spectrometer focal plane interferometer integration while reading
中国科学院上海技术物理研究所， 上海 200083
近红外 可见光傅里叶变换光谱仪需要使用倍频后的参考激光干涉信号作为采样信号。由于锁相环 倍频无法适用于低频的非周期信号，而传统的数字倍频方法误差又较大，因此提出了一种经过改进的基于传统数字 倍频方法的算法，并对其进行了仿真和验证。实验结果表明，算法改进后，输出波形的非均匀性 误差从－2%?+1.6%提高到了-0.5mm－0.82%?+0.4%，说明由倍频产生的非均匀性误差得到了 良好改善。
傅里叶变换光谱仪 近红外可见光波段 数字倍频方法 Fourier transform spectrometer near infrared and visible light digital multiplier
动态校准系统是空间傅里叶光谱仪的关键技术之一,而动态测角作为动态校准技术的一个重要环节,其测角精度和测角范围是动态校准系统性能的保证。空间傅里叶光谱仪的工作环境要求测角算法能够实现高精度和大范围的倾角检测,基于此设计了基于瞬时激光信号功率检测的动态测角算法,介绍了该算法实现的关键技术环节,给出了实验结果。算法原理和实验结果均表明该算法可以实现精度高于0.03 rad 和范围超过±π rad 的倾角检测,可为空间傅里叶光谱仪实时获取高质量的地球大气红外辐射干涉图提供保证。
Michelson 干涉仪 空间傅里叶光谱仪 动态校准 瞬时激光功率检测 Michelson interferometer space-borne Fourier transform spectrometer dynamic alignment instantaneous
为了大气垂直探测仪能够进行精确的光谱测量,对其进行光谱定标。大气垂直探测仪使用面阵探测器,由于离轴像元接收的光线不平行于光轴,使仪器函数发生变化。本文针对大气垂直探测仪使用的16×4元面阵探测器理论分析给出仪器函数,讨论其对光谱定标的影响,并将利用理论分析结果及利用气体吸法测得的光谱,对大气垂直探测仪进行了光谱标定,光谱定标精度达10-5。采用面阵探测器的干涉仪,边缘视场像元所测光谱会向低频漂移,因此必需研究干涉仪的仪器函数,从而消除光谱漂移对边缘视场光谱定标的影响。
探测仪 干涉仪 光谱定标 仪器线形函数 sounder interferometers spectral calibration ILS
中国科学院,上海技术物理研究所,上海,200083
面弹簧是干涉式大气垂直探测仪中的精密部件,系统要求其在工作过程中具有较大刚度比和足够的轴向行程.利用有限元分析方法对面弹簧进行了优化设计.通过对比不同缝形面弹簧在轴向拉伸过程中的轴向刚度、径向刚度、刚度比,确定了螺旋缝形是相对最优缝形.进一步对螺旋缝形面弹簧做了系统分析,得到了螺旋缝形面弹簧中的基圆半径、螺距、旋转角度、指数、直径、开缝数、簧片厚度、材料的杨氏模量等参数在面弹簧轴向拉伸过程中,对其轴向刚度、径向刚度、刚度比的影响规律.根据有限元分析结果最终确定一组最优参数值 r0=20 mm,a=20/π2 mm/rad,θ1=πrad,b=2,φ=200 mm,n=3,t=0.2 mm,E=1.3 e11 Pa,并据此加工成实物.对实物的实测结果表明,螺旋缝形面弹簧具有的轴向行程和较大的刚度比达到了设计目标,验证了有限元分析结果的准确性和合理性.
大气垂直探测仪 面弹簧 螺旋缝形 有限元分析
中国科学院,上海技术物理研究所,上海,200083
进行大气科学研究的傅里叶变换光谱仪,必须具备高分辨率、高准确度的精细光谱才能对温度、压力和浓度等物理量进行反演.干涉仪中光线的离轴效应使仪器光谱函数发生变化.采用直接计算干涉调制函数的方法,研究了面阵探测器各个探测元离轴位置对光谱函数形状的影响;针对干涉仪使用的16×4元面阵探测器,模拟探测元不同位置的光谱函数参量的特性,结果将在仪器光谱定标中得到应用.
探测仪 干涉仪 仪器光谱形状 离轴探测元 线形畸变
