Алгоритмы обработки интерферограмм бортового фурье-спектрометра космического базирования

В докладе представлены методы и алгоритмы обработки интерферограмм, полученных от фурье-спектрометра (ФС) космического базирования, применяемые для подготовки интерферограмм к дальнейшему использованию в алгоритмах восстановления профилей температуры, влажности и концентраций основных малых газовых составляющих.
Целью работы являлась разработка модели интерферометра, позволяющей оценить воздействие на интерферограмму ошибок интерферометра различного рода, а также разработать методы их компенсации.
ФС, в отличие от классических спектральных приборов, формирующих сигнал в виде спектра, формирует сложный сигнал – интерферограмму, требующую выполнения преобразования Фурье. В работе показана возможность осуществления с помощью современных средств цифровой обработки сигналов предварительной обработки интерферограмм, а также возможности вычисления преобразования Фурье непосредственно на борту в реальном масштабе времени.
Двусторонняя интерферограмма идеального ФС является симметричной функцией относительно точки нулевой разности хода. На практике регистрируемая интерферограмма таковой не является. В работе проанализированы основные причины несимметричности интерферограммы: наличие случайного шума, несовпадение момента выборки при дискретизации интерферограммы с положением точки нулевой разности хода, неполная компенсации разности хода лучей в плечах интерферометра для разных длин волн, присутствие наводок, ошибки юстировки, разъюстировка в процессе эксплуатации и т. п. Приведены результаты применения различных методов компенсации фазовой ошибки регистрации интерферограммы.
Проблема учета фонового аддитивого излучения особенно остро возникает при пассивной регистрации спектров излучения природных сред. В работе рассмотрено влияние источников собственного фонового излучения, таких как: ИК-излучение деталей корпуса, оптических элементов, чувствительной площадки фотоприемного устройства. Рассматриваются методы вычитания фонового шума при использовании двух опорных ИК-источников с максимально разными яркостными температурами, приведены результаты применения методов.
Исследовано влияние на интерферограмму оптической разности хода волн в плечах интерферометра, определяемой величиной смещения зеркал динамического ФС.
Использование аппаратной прямоугольной функции аподизации приводит к возникновению вторичных максимумов у главной полосы (эквивалентно появлению ложных источников излучения), маскированию слабых линий, появлению отрицательных выбросов. В работе проведено исследование применения различных функций аподизации: треугольной, трапециевидной, функции Хемминга (Хаппа–Гензеля), трех- и четырехчленной функция Блэкмэна–Харриса.
Канал связи для передачи данных ФС на Землю является одним из узких мест системы. В работе рассмотрены различные методы уменьшения потока данных: использование различных методов сжатия и децимация интерферограммы.
Проведена проверка предложенных методов на эталонных источниках излучения. Расхождение спектра излучения, полученного после обработки интерферограмм, является допустимым для использования спектра в алгоритмах восстановления профилей температуры, влажности и концентраций малых газовых составляющих.
Предложенные методы и алгоритмы обработки интерферограмм апробированы и используются в технологическом и летном образцах инфракрасного ФС, предназначенных для использования на космическом аппарате «Метеор-3М» (ОКР «Метеор М-ИКФС-2»).