Un modèle de simulation d'un spectrointerféromètre de méthane basé sur GHGSat-D a été établi.

arrière-plan

L'étalon FP est constitué de deux plaques optiques espacées de d et présentant une réflectivité de surface interne R. La transmittance de la lumière à l'angle d'incidence θ et à la longueur d'onde λ est déterminée par...Fonction aériennedécrire:

Où n est l'indice de réfraction du milieu intercavité et F le coefficient de finesse lié à la réflectivité. GHGSat-D utilise une cavité de longueur fixe et exploite les variations de l'angle d'incidence pour obtenir l'accord spectral. Pour l'interférence d'ordre m, la longueur d'onde correspondant au pic de transmission satisfait la condition de maximum d'interférence :

Le modèle de simulation numérique présenté dans cet article couvre l'intégralité du flux de signal d'observation satellitaire, reproduisant le processus de transmission complet depuis le rayonnement solaire incident jusqu'à la sortie du détecteur. Le modèle global se compose de…transfert de rayonnement atmosphériqueLe système se compose de trois modules principaux connectés en série : le système optique de l’interféromètre, la réponse du détecteur, etc. Son architecture est illustrée à la figure 1.

Figure 1.Diagramme d'architecture à liaison complète du modèle de simulation

Ce module calcule principalement la luminance spectrale atmosphérique au sommet de la pupille d'entrée du satellite après absorption et atténuation atmosphériques. Le modèle suppose que la surface terrestre est un réflecteur lambertien et calcule le rayonnement de référence pour la réflexion de surface en combinant l'angle zénithal solaire (θsza), la distance Terre-Soleil (RE-S) et la réflectance spectrale de surface (a). Pour les scénarios typiques d'observation du méthane dans l'infrarouge à ondes courtes, le modèle néglige les effets de la diffusion atmosphérique et de l'émission thermique de surface afin de simplifier le calcul ; la formule de calcul est la suivante :

Les coefficients d'absorption atmosphérique ont été extraits de la base de données spectrale HITRAN et intégrés couche par couche à l'aide d'un modèle atmosphérique stratifié. Les profils de température, d'humidité et de pression atmosphériques ont été obtenus grâce à un modèle atmosphérique standard, permettant ainsi de calculer la luminance spectrale de la couche supérieure de l'atmosphère pour la bande cible.

Ce module simule la propagation et la modulation de la lumière à travers un système optique, en projetant la luminance atmosphérique au sommet de l'image sur le plan image du détecteur. Le système optique complet se compose d'un groupe de téléobjectifs et d'une lentille d'imagerie, comme illustré sur la figure 2. Sur le plan du détecteur, les coordonnées des pixels (i, j) ainsi que l'angle polaire et l'angle azimutal de l'angle d'incidence satisfont la relation de projection suivante :

Où (i₀, j₀) désigne le pixel central de l'axe optique, ψ l'angle polaire de l'incidence et φ l'angle azimutal. Dans une image bidimensionnelle, le signal présente une variation régulière en fonction du rayon hors axe : le centre de l'image correspond à la longueur d'onde de transmission maximale FP, et le pic de transmission se décale continuellement vers les courtes longueurs d'onde lorsque le rayon augmente ; aux bords de l'image, le pic de transmission de la longueur d'onde la plus courte sort de la bande passante, ce qui entraîne un chevauchement spectral entre les ordres d'interférence adjacents.

Figure 2.Schéma du système optique GHGSat-D

(Source de l'image : le spectromètre imageur GHGSat-D.)

(i) OSF, (ii) interféromètre Fabry-Perot et (iii) détecteur.

Ce module peut directement générer le motif interférométrique bidimensionnel du plan du détecteur, c'est-à-dire la forme originale du signal d'une observation d'image unique.

Géométriquement, la figure d'interférence se présente sous forme d'anneaux concentriques centrés sur l'axe optique : les rayons lumineux de même rayon ont le même angle d'incidence et correspondent à la même longueur d'onde de transmission maximale. Du point de vue de la distribution d'intensité, ces anneaux d'interférence sont formés par l'effet Fabry-Pérot, caractérisé par des pics de transmission étroits et un contraste élevé. Simultanément, en raison de la modulation de l'absorption du méthane atmosphérique, la luminosité des anneaux aux positions correspondant aux raies d'absorption intenses présente une atténuation significative ; les fluctuations de luminosité des anneaux sont essentiellement une projection du spectre d'absorption atmosphérique dans l'espace.

En résumé, cet article utilise la charge utile du satellite GHGSat-D comme modèle pour construire un cadre de simulation complet de la liaison pour un spectromètre imageur FP du méthane. Ce cadre de simulation peut fournir un support numérique fiable pour l'optimisation ultérieure des indicateurs spectraux de la charge utile de type FP et le développement d'algorithmes de démodulation d'interférogrammes.

[1] Jervis D, et al. Le spectromètre imageur GHGSat-D. *Atmos. Meas. Tech.*, 2021.

[2] Sloan JJ, et al. Détection par satellite de gaz traces atmosphériques basée sur un interféromètre Fabry-Perot. Brevet américain 9 228 897, 2016.

[3] Rodgers C D. *Méthodes inverses pour le sondage atmosphérique*. World Scientific, 2000.

[4] Varon DJ, et al. Quantification des sources ponctuelles de méthane à partir d'observations satellitaires à haute résolution. *Atmos. Meas. Tech.*, 2018.

[5] Jacob DJ, et al. Observations satellitaires du méthane atmosphérique. *Atmos. Chem. Phys.*, 2016.