Es wurde ein Simulationsmodell eines Methan-Spektrointerferometers auf Basis von GHGSat-D erstellt.

Hintergrund

Das FP-Etalon besteht aus zwei optischen Platten mit einem Abstand d und einer inneren Oberflächenreflexion R. Die Lichtdurchlässigkeit bei Einfallswinkel θ und Wellenlänge λ wird bestimmt durch...Luftige Funktionbeschreiben:

Dabei ist n der Brechungsindex des Zwischenraummediums und F der Feinheitskoeffizient, der mit dem Reflexionsvermögen zusammenhängt. GHGSat-D verwendet ein Design mit fester Resonatorlänge und nutzt Variationen des Einfallswinkels zur spektralen Abstimmung. Für die Interferenz m-ter Ordnung erfüllt die Wellenlänge des Transmissionsmaximums die Bedingung für das Interferenzmaximum:

Das in dieser Arbeit entwickelte numerische Simulationsmodell bildet den gesamten Signalfluss der Satellitenbeobachtung ab und reproduziert den gesamten Übertragungsprozess von der einfallenden Sonnenstrahlung bis zum Detektorausgang. Das Gesamtmodell besteht aus …Atmosphärischer StrahlungstransferDas System besteht aus drei in Reihe geschalteten Hauptmodulen: dem optischen Interferometersystem, dem Detektorantwortmodul usw. Die Architektur ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1.Diagramm der vollständigen Architektur des Simulationsmodells

Dieses Modul berechnet primär die spektrale Strahlungsdichte der Atmosphäre, die nach atmosphärischer Absorption und Dämpfung die Eintrittspupille des Satelliten erreicht. Das Modell geht davon aus, dass die Erdoberfläche ein Lambert'scher Reflektor ist und berechnet die Strahlungsreferenz für die Oberflächenreflexion durch Kombination des solaren Zenitwinkels (θsza), der Entfernung Erde-Sonne (RE-S) und des spektralen Reflexionsgrades der Oberfläche (a). Für typische Beobachtungsszenarien von Methan im kurzwelligen Infrarotbereich vernachlässigt das Modell die Effekte der atmosphärischen Streuung und der thermischen Oberflächenemission, um die Berechnung zu vereinfachen; die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Die atmosphärischen Absorptionskoeffizienten wurden aus der HITRAN-Spektraldatenbank gewonnen und mithilfe eines geschichteten Atmosphärenmodells schichtweise integriert. Die Profile von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck der Atmosphäre wurden mit einem Standard-Atmosphärenmodell ermittelt, woraus sich schließlich die spektrale Strahlungsdichte am oberen Rand der Atmosphäre für das Zielband ergab.

Dieses Modul simuliert die Ausbreitung und Modulation von Licht durch ein optisches System und bildet die atmosphärische Strahlungsdichte auf die Bildebene des Detektors ab. Das gesamte optische System besteht aus einer Teleobjektivgruppe und einem Abbildungsobjektiv (siehe Abbildung 2). Entsprechend erfüllen die Pixelkoordinaten (i,j) sowie der Polarwinkel und der Azimutwinkel des Einfallswinkels auf der Detektorebene die folgende Abbildungsbeziehung:

Dabei ist (i₀, j₀) der mittlere Pixel der optischen Achse, ψ der Polarwinkel des Einfallswinkels und φ der Azimutwinkel. In einem Einzelbild eines zweidimensionalen Bildes zeigt das Signal eine regelmäßige Änderung mit dem Off-Axis-Radius: Die Bildmitte entspricht der längsten Transmissionswellenlänge FP, und das Transmissionsmaximum verschiebt sich mit zunehmendem Radius kontinuierlich zu kürzeren Wellenlängen. An den Bildrändern verschiebt sich das Transmissionsmaximum mit der kürzesten Wellenlänge aus dem Bandpassbereich heraus, was zu einer spektralen Überlappung benachbarter Interferenzordnungen führt.

Abbildung 2.Schematische Darstellung des optischen Systems von GHGSat-D

(Bildquelle: Das bildgebende Spektrometer GHGSat-D.)

(i) OSF, (ii) Fabry-Perot-Interferometer und (iii) Detektor.

Dieses Modul kann direkt das zweidimensionale interferometrische Muster der Detektorebene ausgeben, also die ursprüngliche Signalform einer Einzelbildbeobachtung.

Geometrisch verteilt sich das Interferenzmuster in konzentrischen Ringen um die optische Achse: Lichtstrahlen mit gleichem Radius haben denselben Einfallswinkel und entsprechen derselben Wellenlänge des Transmissionsmaximums. Hinsichtlich der Intensitätsverteilung entstehen die Interferenzringe durch den Fabry-Pérot-Interferenz-Effekt, der sich durch schmale Transmissionsmaxima und hohen Kontrast auszeichnet. Gleichzeitig zeigt die Helligkeit der Ringe an Positionen starker Absorptionslinien aufgrund der atmosphärischen Methanabsorption eine deutliche Abschwächung; die Helligkeitsschwankungen der Ringe stellen im Wesentlichen eine räumliche Projektion des atmosphärischen Absorptionsspektrums dar.

Zusammenfassend nutzt diese Arbeit die Nutzlast des Satelliten GHGSat-D als Modell, um ein vollständiges Simulationsframework für ein Methan-FP-Bildgebungsspektrometer zu entwickeln. Dieses Simulationsframework bietet eine zuverlässige numerische Grundlage für die anschließende Optimierung von spektralen Nutzlastindikatoren vom FP-Typ und die Entwicklung von Interferogramm-Demodulationsalgorithmen.

[1] Jervis D, et al. Das GHGSat-D-Bildspektrometer. *Atmos. Meas. Tech.*, 2021.

[2] Sloan JJ, et al. Fabry-Perot-Interferometer-basierte Satellitendetektion von atmosphärischen Spurengasen. US-Patent 9,228,897, 2016.

[3] Rodgers C D. *Inverse Methoden für atmosphärische Sondierungen*. World Scientific, 2000.

[4] Varon DJ, et al. Quantifizierung von Methan-Punktquellen anhand hochauflösender Satellitenbeobachtungen. *Atmos. Meas. Tech.*, 2018.

[5] Jacob DJ, et al. Satellitenbeobachtungen von atmosphärischem Methan. *Atmos. Chem. Phys.*, 2016.