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赤外線大気探査干渉計（IASI）は、マイケルソン干渉計をベースにしたフーリエ変換分光計で、統合画像システム（IIS）と連携しています。[1]
極軌道気象衛星MetOpシリーズのペイロードの一部として、現在2つのIASI機器が運用されています。MetOp-A（2006年10月19日に打ち上げられ、2021年11月にミッション終了）、Metop-B（2012年9月17日に打ち上げ）、および2018年11月に打ち上げられたMetop-Cです。[2]
IASI は、645～2760 cm −1の赤外線発光スペクトルを0.25 cm −1の解像度（アポダイゼーション後0.5 cm −1）で記録する天底観測装置です。気象予報を支援するために、ほぼリアルタイムで気温や水蒸気に関する情報を提供することを主な目的としていますが、さまざまな微量ガスの濃度もスペクトルから取得できます。
起源と発展
IASIは、対流圏リモートセンシング専用の宇宙機器の熱赤外線（TIR）クラスに属します。運用面では、IASAはHIRS機器の代替品ですが、科学的側面では、天底を観測するフーリエ変換機器でもある大気組成専用の機器（大気化学実験など）の使命を引き継いでいます。したがって、IASIは、気象学（広い空間カバレッジ）と大気化学（微量ガスの精度と垂直情報）の両方の要求を融合しています。[3]国立宇宙研究センターによって設計されたIASIは、現在、良好な水平カバレッジと中程度のスペクトル分解能を兼ね備えています。[3]スオミ原子力発電所の対応する機器は、クロストラック赤外線サウンダ（CrIS）です。
CNESとEUMETSAT（欧州気象衛星開発機構）との協定に基づき、CNESは機器とデータ処理ソフトウェアの開発を担当し、EUMETSATはデータのアーカイブ化とユーザーへの配布、IASI自体の運用を担当している。[4] [5]現在、アルカテルスペースがプロジェクトの主契約者であり、循環モデルの製作を監督している。[5]
主な特徴
スペクトル範囲
IASIスペクトル範囲は、機器が以下の範囲のデータを記録できるように選択されています。[3]
したがって、IASIのスペクトル範囲は645〜2760 cm −1（15.5〜3.62 μm）です。このスペクトル範囲には、以下の表に示すように3つのバンドに整列した8461のスペクトルサンプルがあります。それに応じて、測定が行われるスペクトル分解能は0.5 cm −1です。[3] [6]
各バンドには、次の表に示すように特定の目的があります。[5]
サンプリングパラメータ
IASI は、軌道横断スキャン システムとして、天底方向の両側に 48°20′ のスキャン範囲を持ち、対応する走査幅は約 2×1100 km です。ここで、MetOp の飛行方向に関して、IASI によるスキャンは左側から始まります。
また、公称走査線には、カバーしなければならないターゲットが 3 つあります。まず、地球の走査です。各ステップには、測定が行われる位置が 30 箇所 (48°20′ の各ブランチに 15 箇所) あります。それに加えて、較正専用のビューが 2 つあります。これらは、以降、参照ビューと呼ばれます。2 つのビューのうち 1 つは深宇宙に向けられ (コールド リファレンス)、もう 1 つは内部の黒体を観測します (ホット リファレンス)。[1]
基本（または有効）視野（EFOV）は、各スキャン位置での有効視野として定義されます。各要素は、瞬間視野（IFOV）と呼ばれる2×2円形ピクセルマトリックスで構成されています。地上に投影される4つのピクセルはそれぞれ円形で、天底での直径は12kmです。[1]スキャンラインの端でのIFOVの形状は円形ではなくなり、軌道を横切る方向では39km、軌道に沿って20kmになります。[6]
最後に、IISの視野は正方形の領域で、その一辺の角度幅は59.63mradです。この領域内には64×64ピクセルがあり、上記のEFOVと同じ面積を測定します。[1]
データ処理システム
IASI の装置は毎日約 130 万のスペクトルを生成します。IASI が 1 回の完全な横断軌道とオンボード キャリブレーションからデータを取得するのに約 8 秒かかります。前者は 120 の干渉縞で構成され、それぞれが 1 つのピクセルに対応します。[3]もちろん、研究者はスペクトルに非常に興味を持っているため、IASI によって収集されたデータは複数の処理段階を経る必要があります。[7]
さらに、IASI には 1.5メガビット(Mb) / 秒のデータ伝送速度が割り当てられています。ただし、データ生成速度は 45 Mbit/s であるため、データ処理の大部分は機上で行われることになっています。そのため、送信されるデータは、バンドが統合され、大まかに調整されたエンコードされたスペクトルです。[7]
さらに、TECとも呼ばれる技術専門センターにはオフライン処理チェーンがあります。その役割は、機器のパフォーマンスを監視し、前のポイントに関連してレベル0と1の初期化パラメータを計算し、長期的に変化するIASI製品を計算し、準リアルタイム（NTR）処理（つまりレベル0と1）を監視することです。[7]
IASI処理レベル
IASI データには、0 から 2 までの 3 つの処理レベルがあります。まず、レベル 0 のデータは検出器の生の出力を提供し、レベル 1 はこれを FFT と必要なキャリブレーションを適用してスペクトルに変換します。最後に、レベル 2 は、観測された大気の物理的状態を記述するための取得技術を実行します。
最初の2つのレベルは、干渉縞を、完全に較正され、特定の時点の機器の状態から独立したスペクトルに変換することに専念しています。対照的に、3番目のレベルは、IASIだけでなくMetOpの他の機器からも意味のあるパラメータを取得することに専念しています。[7]
例えば、機器はエネルギー的に線形であることが予想されるため、スペクトルを計算する前に、干渉縞に非線形補正が適用されます。次に、2つの参照ビューが放射測定較正の最初のステップに使用されます。地上で実行される2番目のステップは、最初のステップで無視された特定の物理的効果（走査ミラーの入射補正、非黒色効果など）を補正するために使用されます。[7]
デジタル処理サブシステムは、放射測定キャリブレーションと逆フーリエ変換を実行して生のスペクトルを取得します。[7]
レベル0
レベル0処理の中心的な目的は、放射測定の観点からスペクトルを較正し、スペクトルバンドを統合することで透過率を下げることです。これは3つの処理サブチェーンに分かれています。[7]
- 以下に関係する干渉縞の前処理:
- 非線形補正
- 校正中に破損した干渉縞の使用を防ぐスパイク検出
- フーリエ変換に対応するピボットサンプルを決定するNZPD（ゼロパス差の数値サンプラー）の計算
- 干渉縞にフーリエ変換を適用して、測定された干渉縞に対応するスペクトルを生成するアルゴリズム。
- 放射係数の計算とフィルタリング
- 較正係数の適用、バンドの結合、スペクトルのコーディングを含む大気スペクトルの計算。
- スペクトルスケーリング則を適用し、オフセットを除去し、結合されたスペクトルにビットマスクを適用することにより、有用な情報を失うことなく、スペクトルサンプルあたり平均8.2ビットの速度で伝送が行われます。
レベル 1
レベル1は3つのサブレベルに分かれています。その主な目的は、測定時の干渉計の形状を最も正確に推定することです。推定モデルのパラメータのいくつかはTEC処理チェーンによって計算され、レベル1の推定の入力として使用されます。[7]
推定モデルは、対応するスペクトル較正関数とアポダイゼーション関数を計算することにより、より正確なモデルを計算するための基礎として使用されます。これにより、測定値のスペクトル変動をすべて除去することができます。[7]
レベル 1a
- 推定モデルは、スペクトルサンプルの正しいスペクトル位置を与えるためにここで使用されます。なぜなら、位置はピクセルごとに異なるからです。さらに、レベル0では無視されていた特定の誤差、例えば黒体の放射率が1ではないことや、走査ミラーの温度依存性などが考慮されるようになりました。[7]
- また、 AVHRRと較正されたIIS画像の相関結果を使用してIASIの地理的位置を推定します。 [6]
レベル 1b
- ここで、スペクトルは再サンプリングされます。この操作を実行するために、レベル1aのスペクトルは5倍にオーバーサンプリングされます。これらのオーバーサンプリングされたスペクトルは、最終的に、3次スプライン補間を使用して、新しい一定の波数ベース（0.25 cm −1）で補間されます[7] 。 [6]
レベル 1c
- 推定されたアポダイゼーション関数が適用される。[7]
- IASI点拡散関数を用いてIASI IFOV内のAVHRRに基づく輝度クラスター分析を生成する。[6]
レベル2
このレベルでは、放射輝度測定から地球物理学的パラメータを導出することに関係している。[1]
- 温度プロファイル
- 湿度プロファイル
- 厚い層における柱状オゾンの量
- 表面温度
- 表面放射率
- 雲量の割合
- 雲頂温度
- 雲頂気圧
- 雲の段階
- N 2 Oの総柱
- COの総柱
- CH 4の合計列
- CO2の総柱
- 誤差共分散
- 処理と等価フラグ
ここでのプロセスは、ATOVS機器スイート、AVHRR、数値天気予報からの予報データと相乗的に実行されます。[1]
研究方法
研究者の中には、レベル 1 データを処理する独自の取得アルゴリズムを使用することを好む人もいますが、IASI レベル 2 データを直接使用する人もいます。レベル 2 データを生成するアルゴリズムは複数存在し、それぞれ前提と定式化が異なるため、長所と短所が異なります (相互比較研究によって調査できます)。アルゴリズムの選択は、これらの制限、利用可能なリソース、調査したい大気の特定の特徴に関する知識に基づいて行われます。[引用が必要]
一般的に、アルゴリズムは最適推定法に基づいています。これは本質的に、測定されたスペクトルを事前スペクトルと比較することを伴います。その後、事前モデルは測定したいアイテム（SO 2など）の一定量で汚染され、結果として得られたスペクトルは再び測定されたものと比較されます。このプロセスは何度も繰り返され、その目的は、シミュレートされたスペクトルが測定されたものに可能な限り近くなるように汚染物質の量を調整することです。事前誤差、機器誤差、または予測誤差など、事前誤差を摂動させる際にはさまざまな誤差を考慮する必要があることに注意する必要があります。[8]
あるいは、IASI レベル 1 データは最小二乗近似アルゴリズムで処理することもできます。この場合も、予想される誤差を考慮する必要があります[引用が必要]。
デザイン
IASIの主要構造は、アルミニウムハニカムコアとカーボンシアネートスキンを備えた6枚のサンドイッチパネルで構成されています。これらのうち、光学サブアセンブリ、電子機器、メカニズムをサポートするパネルはメインパネルと呼ばれます。[1] [9]
装置の熱アーキテクチャは、IASI を独立した筐体に分割し、特に各筐体の設計を最適化するように設計されました。たとえば、光学部品は低散逸要素のみを含む密閉された空間内にありますが、キューブコーナーはこの空間の外側にあります。さらに、干渉計を含む筐体は、多層絶縁体 (MLI)によって装置の残りの部分からほぼ完全に分離されています。これにより、干渉計の光学系の熱安定性が非常に良好になります。時間的および空間的な勾配は 1 °C 未満であり、これは放射測定の校正性能にとって重要です。さらに、散逸電子機器、レーザー光源などの他の機器は、特定の筐体に密閉されているか、スキャン機構や黒体などのメイン構造の熱制御セクションを介して熱的に制御されています。[9]
干渉計に入ると、光は以下の機器に遭遇する：[5]
- スキャンミラーは、天底を中心にして ±48.3° のスワスを対称的に提供します。さらに、校正用のホット ブラックボディとコールド ブラックボディ (それぞれ内部のブラックボディと深宇宙) も観測します。段階的なシーン スキャンには、流体潤滑ベアリングが使用されます。
- 開口絞りをスキャンミラーに転送するオフ軸アフォーカル望遠鏡。
- マイケルソン干渉計はマイケルソン干渉計の一般的な構造を持っていますが、2つのシリコンカーバイド キューブコーナーミラーを備えています。平面鏡ではなくコーナーリフレクタを使用する利点は、平面鏡では動的な調整が必要になることです。[4]
- 折り畳みミラーと軸外集束ミラーの 2 つのミラーのうち、折り畳みミラーは再結合されたビームを軸外集束ミラーに向けます。これにより、コールド ボックスの入口に地球の画像が形成されます。
- コールド ボックスには、開口絞り、視野絞り、キューブ コーナーに開口絞りを結像する視野レンズ、スペクトル範囲全体を 3 つのスペクトル バンドに分割するダイクロイックプレート、検出ユニットに視野絞りの結像を生成するレンズ、マイクロ レンズを備えた 3 つの焦点面が含まれます。これらは、検出器とプリアンプに開口絞りを結像する役割を果たします。
機器のバックグラウンドと熱電子検出器のノイズを低減するために、コールドボックスの温度は受動極低温冷却器によって93 Kに維持されます。[9]これは、極低温装置の振動レベルがスペクトル品質の劣化を引き起こす可能性があるため、極低温装置よりも好まれました。[4] [5]
氷汚染対策
光学面の氷の蓄積により透過率が低下します。IASI の氷による汚染に対する感度を下げるために、放射空洞に 2 つの均等な穴が追加されました。
さらに、残留汚染から冷光学系を確実に保護する必要がありました。これを実現するために、シーリングの改善（ベローズとジョイント）が行われました。
推奨画像
欧州宇宙機関のIASI
- IASI データ製品プロファイル
- IASIの観察
- 軌道上のMetOpの描写
外部リンク
- 国立空間センターにおける IASI
- 地球をスキャンするIASI
- IASI at TACT、LATMOS
- オックスフォード大学 EODG の IASI 2014-09-04 にWayback Machineでアーカイブ
参考文献
- ^ abcdefg 「4. IASIレベル2製品概要」oiswww.eumetsat.org。2010年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年7月9日閲覧。
- ^ アレン、ボブ。「Metop は、EUMETSAT 極軌道システム (EPS) 全体の宇宙セグメント コンポーネントを形成する、3 つの極軌道気象衛星のシリーズです」。EUMETSAT。2014年 7 月 12 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年7 月 24 日閲覧。
- ^ abcde 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). 「熱赤外線 IASI/MetOp サウンダを使用した大気組成のモニタリング」.大気化学および物理学. 9 (16): 6041–6054. Bibcode :2009ACP.....9.6041C. doi : 10.5194/acp-9-6041-2009 .
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{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ "IASI". .physics.ox.ac.uk/ . 2014年9月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年7月22日閲覧。
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