Пути модернизации бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2

Инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2 в составе гидрометеорологического космического аппарата (КА) «Метеор-М» предназначен для получения детальной информации о состоянии и составе атмосферы, необходимой для решения задач оперативной метеорологии и исследования климата. Прибор обеспечивает измерение спектров уходящего теплового излучения системы «атмосфера – подстилающая поверхность» в спектральном диапазоне (660-2000) см-1 со спектральным разрешением 0,4 см-1 и радиометрическим шумом (0,15-0,45) мВт/(м2∙ср∙см-1) (без учета аподизации). Диапазон изменения оптической разности хода в регистрируемых интерферограммах составляет ±1,7 см, время съема одной интерферограммы – 0,5 с, пространственное разрешение в надире – 30 км, ширина полосы обзора – от 1000 до 2500 км, шаг пространственной сетки – от 60 до 110 км (Головин и др., 2015).
Аппаратура ИКФС-2 в составе КА «Метеор М» № 2 успешно функционирует в штатном режиме более семи лет. Прибор обеспечивает ежесуточное измерение 130 тысяч калиброванных спектров атмосферы, обеспеченных координатно-временной привязкой и параметрами качества. Результаты сопоставления регистрируемых приборов спектров с независимыми спутниковыми измерениями (радиометр SEVIRI на геостационарных спутниках MSG и фурье-спектрометр IASI на полярно-орбитальных метеоспутниках MetOp) свидетельствуют о надлежащем качестве калибровки аппаратуры (Козлов и др., 2016; Timofeyev et al., 2019). Измеренные спектры уходящего излучения атмосферы позволяют восстанавливать вертикальные профили температуры с погрешностями, близкими к 1 К в большей части высотной области 0-30 км, за исключением нижней тропосферы и высот более 30 км, где эти погрешности близки к 2-3 К (Асмус и др., 2017).
Следует отметить, что в настоящий момент аппаратура ИКФС-2 используется преимущественно в интересах оперативной метеорологии (Цырульников и др., 2019), а также для мониторинга общего содержания озона. При этом аппаратура позволяет определять концентрации большинства климатически значимых малых газовых составляющих атмосферы, в том числе CO2, CH4, N2O и др. (Garkusha et al., 2017).
По результатам наземной экспериментальной отработки и штатной эксплуатации на орбите рассмотрены следующие возможности модернизации аппаратуры ИКФС-2:
- с целью повышения качества и номенклатуры выходных информационных продуктов рассматривается возможность введения второго измерительного канала и расширения рабочего спектрального диапазона до (3,6-15,0) мкм при сохранении требований по массе, энергопотреблению и габаритам прибора, что позволит повысить вертикальное разрешение восстанавливаемых профилей температуры и точности восстановления профилей водяного пара, а также оценивать содержание угарного газа (полоса поглощения вблизи 4,6 мкм);
- c целью повышения спектрального пропускания прибора рассматривается возможность замены трехлинзового объектива на однолинзовый с асферической поверхностью и реализация съемного входного окна;
- с целью уменьшения рабочей температуры фотоприемника предлагается реализовать тепловую развязку основания модуля интерферометра с корпусом радиационного холодильника (РХ) и ввести дополнительный радиатор корпуса РХ;
- c целью улучшения пространственного покрытия предлагается реализовать дополнительный режим с уменьшенным временем съема интерферограммы 400 мс и измененной таблицей углов сканирования, что позволит уменьшить шаг пространственной сетки измерений на 15%;
- с целью улучшения спектрального и пространственного разрешения прибора может быть увеличен диапазон изменения оптической разности хода в интерферометре с ±1,7 см до ±2,0 см и уменьшен размер фоточувствительной площадки фотоприемника.
Таким образом, аппаратура ИКФС-2 может быть доработана под конкретную целевую задачу в части введения второго ИК-канала на (3,6-5,0) мкм, повышения спектрального и пространственного разрешения и изменения циклограммы сканирования. Прибор может быть адаптирован под платформу малого КА типа «Канопус-В», в том числе в части изменения способа захолаживания фотоприемника (с применением микрокриогенной системы охлаждения). Это позволит дополнительно уменьшить габариты прибора и снять ряд ограничений по расположению и установке изделия на платформе КА.