Se estableció un modelo de simulación de un espectrointerferómetro de metano basado en GHGSat-D.

fondo

El etalón FP consta de dos placas ópticas separadas por una distancia d y con una reflectividad superficial interna R. La transmitancia de la luz en el ángulo de incidencia θ y la longitud de onda λ está determinada por...Función de airedescribir:

Donde n es el índice de refracción del medio entre cavidades y F es el coeficiente de finura relacionado con la reflectividad. GHGSat-D emplea un diseño de longitud de cavidad fija, basándose en variaciones del ángulo de incidencia para lograr la sintonización espectral. Para la interferencia de orden m, la longitud de onda correspondiente al pico de transmisión satisface la condición de máximos de interferencia:

El modelo de simulación numérica desarrollado en este artículo abarca el flujo completo de la señal de observación satelital, reproduciendo todo el proceso de transmisión del enlace desde la radiación solar incidente hasta la salida del detector. El modelo general consta de...transferencia de radiación atmosféricaEl sistema consta de tres módulos principales conectados en serie: el sistema óptico del interferómetro, la respuesta del detector, etc. La arquitectura se muestra en la Figura 1.

Figura 1.Diagrama de arquitectura de enlace completo del modelo de simulación

Este módulo calcula principalmente la radiancia espectral superior atmosférica que llega a la pupila de entrada del satélite tras la absorción y atenuación atmosféricas. El modelo asume que la superficie terrestre es un reflector lambertiano y calcula la radiación de referencia para la reflexión superficial combinando el ángulo cenital solar (θsza), la distancia Tierra-Sol (RE-S) y la reflectancia espectral superficial (a). Para escenarios típicos de observación de metano en el infrarrojo de onda corta, el modelo omite los efectos de la dispersión atmosférica y la emisión térmica superficial para simplificar el cálculo; la fórmula de cálculo es la siguiente:

Los coeficientes de absorción atmosférica se obtuvieron de la base de datos espectral HITRAN y se integraron capa por capa mediante un modelo atmosférico estratificado. Los perfiles de temperatura, humedad y presión atmosféricas se obtuvieron utilizando un modelo atmosférico estándar, lo que permitió calcular la radiancia espectral superior atmosférica para la banda objetivo.

Este módulo simula la propagación y modulación de la luz a través de un sistema óptico, mapeando la radiancia superior atmosférica al plano de imagen del detector. El sistema óptico completo consta de un grupo de teleobjetivos y una lente de imagen, como se muestra en la Figura 2. Correspondientemente, en el plano del detector, las coordenadas de píxeles (i,j) y el ángulo polar y el ángulo azimutal del ángulo incidente satisfacen la siguiente relación de mapeo:

Donde (i₀, j₀) es el píxel central del eje óptico, ψ es el ángulo polar del ángulo de incidencia y φ es el ángulo azimutal. En un solo fotograma de una imagen bidimensional, la señal presenta un cambio regular con el radio fuera del eje: el centro de la imagen corresponde a la longitud de onda de transmisión más larga FP, y el pico de transmisión se desplaza continuamente hacia longitudes de onda más cortas a medida que aumenta el radio; en los bordes de la imagen, el pico de transmisión de la longitud de onda más corta se desplaza fuera del rango de paso de banda, lo que resulta en una superposición espectral entre órdenes de interferencia adyacentes.

Figura 2.Diagrama esquemático del sistema óptico GHGSat-D

(Fuente de la imagen: El espectrómetro de imágenes GHGSat-D).

(i) OSF, (ii) interferómetro Fabry-Perot y (iii) detector.

Este módulo puede generar directamente el patrón interferométrico bidimensional del plano del detector, es decir, la forma de la señal original de una observación de un solo fotograma.

Geométricamente, el patrón de interferencia se distribuye en anillos concéntricos centrados en el eje óptico: los rayos de luz con el mismo radio tienen el mismo ángulo de incidencia y corresponden a la misma longitud de onda de pico de transmisión. En términos de distribución de intensidad, los anillos de interferencia se forman por el efecto de interferencia de Fabry-Pérot, caracterizado por picos de transmisión estrechos y alto contraste. Simultáneamente, debido a la modulación de la absorción del metano atmosférico, el brillo de los anillos en las posiciones correspondientes a las líneas de absorción intensas muestra una atenuación significativa; las fluctuaciones de brillo de los anillos son esencialmente una proyección del espectro de absorción atmosférica en la dimensión espacial.

En resumen, este artículo utiliza la carga útil del satélite GHGSat-D como modelo para construir un marco de simulación completo de enlace para un espectrómetro de imágenes de metano de campo plano (FP). Este marco de simulación proporciona soporte numérico fiable para la posterior optimización de los indicadores espectrales de la carga útil de tipo FP y el desarrollo de algoritmos de demodulación de interferogramas.

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