赤外線大気観測干渉計

赤外線大気観測干渉計（IASI）は、マイケルソン干渉計をベースとしたフーリエ変換分光計であり、統合イメージングシステム（IIS）と関連付けられています。^[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日打ち上げ、2021年11月ミッション終了）、Metop-B（2012年9月17日打ち上げ）、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の赤外線放射スペクトルを0.25 cm⁻¹の^{スペクトル}サンプリング、アポダイゼーション後の0.5 cm⁻¹^の分解能で記録する天底観測装置です。主に気象予報を支援するために大気温度と水蒸気に関する情報をほぼリアルタイムで提供することを目的としていましたが、スペクトルからさまざまな微量ガスの濃度も取得できます。

起源と発展

IASI は、対流圏リモートセンシングに特化した宇宙搭載機器の熱赤外線 (TIR) クラスに属します。運用面では、IASA は HIRS 機器の後継機ですが、科学面では、大気組成に特化した機器の任務を引き継いでおり、これらの機器は天底観測型のフーリエ変換機器 (大気化学実験など) でもあります。そのため、気象学 (高い空間カバレッジ) 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させています。^{[ 3 ]}国立宇宙研究センターによって設計されたこの機器は、現在では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 ]} Suomi NPPの対応機器は、クロストラック赤外線サウンダー (CrIS) です。

CNESとEUMETSAT（欧州気象衛星開発機構）の合意に基づき、前者は機器とデータ処理ソフトウェアの開発を担当し、後者はデータのアーカイブとユーザーへの配布、およびIASI自体の運用を担当している。^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}現在、Alcatel Spaceがプロジェクトの主契約者であり、繰り返しモデルの製造を監督している。^{[ 5 ]}

主な特徴

スペクトル範囲

IASI のスペクトル範囲は、機器が次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 ]}

二酸化炭素の強い吸収は15μm付近で見られる。
オゾン吸収率ν ₂ 9.6μm付近
水蒸気ν _{3 の}強い吸収
メタンの吸収は全反射の端まで及ぶ。

そのため、IASI のスペクトル範囲は 645 – 2760 cm ⁻¹ (15.5 – 3.62 μm) です。スペクトル範囲内の 3 つのバンドに整列された 8461 個のスペクトルサンプルがあり、下の表に示されています。それに伴い、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は横断走査システムとして、天底方向の両側に48°20′の走査範囲を持ち、対応する走査幅は約2×1100kmです。ここでは、MetOpの飛行方向に対して、IASIによる走査は左側から始まります。

また、標準的なスキャンラインには、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、地球のスキャンがあり、各ステップ内には、測定が行われる 30 箇所 (48°20′ の各ブランチに 15 箇所) があります。それに加えて、キャリブレーション専用の 2 つのビューがあり、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 (低温参照) に向けられ、もう 1 つは内部の黒体 (高温参照) を観測します。^{[ 1 ]}

基本視野（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。このような各要素は、瞬間視野（IFOV）と呼ばれるものの 2×2 円形ピクセルマトリックスで構成されます。地上に投影される 4 つのピクセルはそれぞれ円形であり、天底での直径は 12 km です。^{[ 1 ]}スキャンラインの端での IFOV の形状はもはや円形ではなく、トラックに対して横方向には 39 km、トラックに沿っては 20 km です。^{[ 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59.63 mrad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 装置は、毎日約 1,300,000 個のスペクトルを生成します。IASI が 1 つの完全なトラックとオンボードキャリブレーションのデータを取得するには約 8 秒かかります。前者は 120 個の干渉図で構成され、それぞれが 1 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いくつか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。しかし、データ生成速度は45 Mbit/秒であるため、データ処理の大部分は機上で行われるように設定されています。そのため、送信されるデータは、帯域統合され、大まかに較正された符号化スペクトルです。^{[ 7 ]}

さらに、TEC と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、機器の性能を監視し、前のポイントに関連してレベル 0 および 1 の初期化パラメータを計算し、長期変動 IASI プロダクトを計算するとともに、ニアリアルタイム (NTR) 処理 (つまりレベル 0 および 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出力であり、レベル1ではFFTと必要な較正を適用してスペクトルに変換し、最後にレベル2では観測された大気の物理状態を記述するための復元技術を実行します。

最初の 2 つのレベルは、干渉図を完全に較正され、特定の時点での機器の状態に依存しないスペクトルに変換することに特化しています。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特化しています。^{[ 7 ]}

例えば、この装置はエネルギーに対して線形であると想定されるため、スペクトルを計算する前に干渉図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校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 (例えば、走査ミラーの入射補正、非黒色効果など) を補償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、放射測定校正と逆フーリエ変換を実行して生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によって伝送レートを削減することです。これは 3 つの処理サブチェーンに分かれています。^{[ 7 ]}

干渉画像の前処理で、以下の点に関係するもの：
- 非線形性補正
- キャリブレーション中に破損した干渉画像が使用されるのを防ぐスパイク検出機能
- 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得るアルゴリズム。
放射係数の計算とフィルタリング
大気スペクトルの計算には、較正係数の適用、バンドの統合、スペクトルの符号化が含まれる。
- スペクトルスケーリング法則を適用し、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ビットの伝送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。推定モデルのいくつかのパラメータは TEC 処理チェーンによって計算され、レベル 1 の推定へ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って、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、測定値のすべてのスペクトル変動を取り除くことができます。^{[ 7 ]}

レベル1a

ここでは、スペクトルサンプルの位置がピクセルごとに異なるため、推定モデルを使用してスペクトルサンプルの正しいスペクトル位置を示します。さらに、レベル 0 で無視されていた特定のエラー、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ています。^{[ 7 ]}

また、 AVHRRと較正済みIIS画像の相関結果を用いてIASIの地理的位置を推定する。 ^{[ 6 ]}

レベル1b

ここでは、スペクトルがリ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、新しい一定の波数基底 (0.25 cm ⁻¹ ) ^{[ 7 ]}で、 3 次スプライン補間を使用して補間されます。^{[ 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点広がり関数を使用して、IASI IFOV 内の AVHRR に基づく放射輝度クラスタ解析を生成します。^{[ 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ます。^{[ 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量
表面温度
表面放射率
部分的な雲量
雲頂温度
雲頂気圧
雲の段階
_N₂Oの全カラム
COの全柱
_CH4の全列
_CO2の全柱
誤差共分散
処理と等価性フラグ

ここで行われる処理は、ATOVS機器群、AVHRR、および数値気象予報からの予報データと相乗的に行われます。^{[ 1 ]}

研究方法

研究者によっては、レベル1データを処理する独自のデータ取得アルゴリズムを使用することを好む場合もあれば、IASIレベル2データを直接使用する場合もある。レベル2データを生成するアルゴリズムは複数存在し、それぞれ前提条件や定式化が異なるため、長所と短所も異なる（これらは相互比較研究によって検証できる）。アルゴリズムの選択は、これらの制約、利用可能なリソース、および調査対象となる大気の具体的な特徴に関する知識に基づいて行われる。

一般的に、アルゴリズムは最適推定法に基づいています。これは基本的に、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含みます。続いて、事前モデルに測定したい物質（例えばSO₂）を一定量添加し_、得られたスペクトルを再び測定されたスペクトルと比較します。このプロセスは何度も繰り返され、シミュレーションされたスペクトルが測定されたスペクトルにできるだけ近づくように、添加物の量を調整することを目的としています。事前モデルを摂動させる際には、事前モデルの誤差、機器の誤差、期待される誤差など、さまざまな誤差を考慮する必要があります。^{[ 8 ]}

あるいは、IASIレベル1データは最小二乗法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に入れる必要があります。

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、および機構を支持するパネルが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、光学部品は低損失要素のみを含む閉じた容積内に配置され、立方体の角はこの容積の外側にあります。さらに、干渉計を含む筐体は、多層断熱材（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、干渉計の光学系に対して非常に優れた熱安定性が確保されます。時間的および空間的な勾配は1 ℃未満であり、これは放射測定校正性能にとって重要です。さらに、他の機器は、損失のある電子機器、レーザー光源などの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制御されています。^{[ 9 ]}

干渉計に入ると、光は次の機器に遭遇します。^{[ 5 ]}

走査ミラーは、天底を中心として±48.3°の走査範囲を対称的に提供します。さらに、校正用の高温黒体と低温黒体（それぞれ内部黒体と深宇宙）を観測します。段階的なシーン走査には、流体潤滑ベアリングが使用されています。

軸外非焦点望遠鏡は、開口絞りを走査ミラーに伝達する。

マイケルソン干渉計の一般的な構造を持ちながら、炭化ケイ素キューブのコーナーミラーが2つあるマイケルソン干渉計。コーナー反射鏡を平面ミラーよりも使用する利点は、後者では動的なアライメントが必要になることである。^{[ 4 ]}

折り返し式およびオフアクシス集光ミラーを備え、前者が再結合されたビームを後者に導く。その結果、コールドボックスの入口に地球の像が形成される。

コールドボックスには、絞り、視野絞り、キューブの角に絞りを結像させる視野レンズ、全スペクトル範囲を3つのスペクトル帯域に分割するダイクロイックプレート、検出ユニット上に視野絞りの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ています。これらの焦点面は、検出器とプリアンプ上に絞りを結像させる役割を担っています。

装置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型極低温冷却器によって 93 K に維持されます。^{[ 9 ]}これは、後者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 ]}

氷による汚染対策

光学面への氷の付着は透過率の低下を引き起こします。IASIの氷による汚染に対する感度を低減するため、発光空洞には2つの均等な穴が追加されました。

さらに、低温光学系を残留汚染から保護する必要があった。これを実現するために、シーリングの改良（ベローズとジョイント）が行われた。

外部リンク

国立空間センターにおける IASI
IASIが地球をスキャン
IASI at TACT、LATMOS
オックスフォード大学EODGのIASI（2014年9月4日時点のアーカイブ）

参考文献

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