Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 75-85
Оптическая система перспективного видеоспектрометра для картирования озона и других газов в атмосфере Земли
Ю.С. Доброленский
1 , И.А. Дзюбан
1 , Ю.С. Иванов
2 , И.И. Синявский
2 , Д.В. Ионов
3 , А.В. Поберовский
3 , О.И. Кораблёв
1 , А.А. Фёдорова
1 , Н.А. Вязоветский
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Главная астрономическая обсерватория НАНУ, Киев, Украина
3 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 08.12.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-75-85
В работе предложена концепция нового перспективного российского спектрометра, предназначенного для мониторинга земной атмосферы с борта космического аппарата в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра. Задачей прибора является измерение общего содержания озона и других газов в вертикальном столбе атмосферы. Сверхширокое поле зрения спектрометра (100°) позволяет при наблюдениях с типичных для подобных задач орбит получать глобальные карты распределения измеряемых компонент атмосферы каждые сутки. К настоящему моменту проведено оптическое моделирование прибора в целом и отдельных его узлов. В данной статье детально рассматривается оптическая схема спектрометра, который состоит из входного блока, двух спектрометрических каналов и калибровочного блока. Показаны результаты моделирования изображения входной щели на матрице приёмника, подтверждающие заданные спектральные характеристики: разрешение 0,3 нм в диапазоне 0,3–0,4 мкм и 0,5 нм в диапазоне 0,4–0,8 мкм. Пространственное разрешение обоих каналов одинаково и равно приблизительно 0,5° в обоих направлениях, что соответствует разрешаемому элементу вблизи поверхности Земли ~6 км (при измерениях в надир с высоты 700 км).
Ключевые слова: мониторинг озона, спутниковый спектрометр, оптическая схема, видеоспектрометр, объектив, дифракционная решётка, УФ-видимый свет
Полный текстСписок литературы:
- Доброленский Ю. С., Ионов Д. В., Кораблев О. И., Федорова А. А., Жеребцов Е. А., Шаталов А. Е., Поберовский А. В. Наземные полевые измерения и калибровки нового спутникового спектрометра для мониторинга озонового слоя Земли // Исследование Земли из космоса. 2017. № 5. C. 82–92.
- Иванов Ю. С., Синявский И. И. Диспергирующая система спектрополяриметра с квазилинейным хроматизмом // Оптический журн. 2005. Т. 72. № 7. С. 48–51.
- Лебедева В. В. Экспериментальная оптика. М.: Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, 2005. 282 с.
- Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
- Bertaux J.-L., Korablev O. I., Perrier. S., Quemerais E., Montmessin F., Leblanc F., Lebonnois S., Rannou P., Lefevre F., Forget F., Fedorova A. A., Dimarellis E., Reberac A., Fonteyn D., Chaufray J. Y., Guibert S. SPICAM on Mars Express: Observing modes and overview of UV spectrometer data and scientific results // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. No. E10S90. P. 1–40.
- Bertaux J.–L., Nevejans D., Korablev O. I., Villard E., Quemerais E., Neefs E., Montmessin F., Leblanc F., Dubois J. P., Dimarellis E., Hauchecorne A., Lefevre F., Rannou P., Chaufray J. Y., Cabane M., Cernogora G., Souchon G., Semelin F., Reberac A., van Ransbeek E., Berkenbosch S., Clairquin R., Muller C., Forget F., Hourdin F., Talagrand O., Rodin A., Fedorova A. A., Stepanov A. V., Vinogradov I. I., Kiselev A. V., Kalinnikov Y. K., Durry G., Sandel B., Stern A., Gerard J. C. SPICAV/SOIR on Venus Express: Three spectrometers to study the global structure and composition of the Venus atmosphere // Planetary and Space Science. 2007. V. 55. P. 1653–1672.
- Bovensmann H., Burrows J. P., Buchwitz M., Frerick J., Noel S., Rozanov V. V., Chance K. V., Goede A. P. H. SCIAMACHY: Mission objectives and measurement modes // J. Atmospheric Sciences. 1999. V. 56. No. 2. P. 127–150.
- Burrows J. P., Weber M., Buchwitz M., Roznov V. V., Ladstatter-Weissenmayer A., Richter A., DeBeek R., Hoogen R., Bramstedt K., Eichmann K.-U., Eisinger M., Perner D. The global ozone monitoring experiment (GOME): Mission concept and first scientific results // J. Atmospheric Sciences. 1999. V. 56. P. 151–175.
- Dobber M. R., Dirksen R. J., Levelt P. F., van der Oord G. H. J., Voors R. H. M., Kleipool Q., Jaross G., Kowalewski M., Hilsenrath E., Leppelmeier G. W., de Vries J., Dierssen W., Rozemeijere N. C. Ozone monitoring instrument calibration // IEEE Trans. Geosciences Remote Sensing. 2006. V. 44. No. 5. P. 1209–1238.
- Dobrolenskiy Y. S., Ionov D. V., Korablev O. I., Fedorova A. A., Zherebtsov E. A., Shatalov A. E., Mantsevich S. N., Belyaev D. A., Vyazovetskiy N. A., Moiseev P. P., Tchikov K. N., Krasavtsev V. M., Savushkin A. V., Rumyantsev D. M., Kananykhin I. V., Viktorov A. I., Kozyura A. V., Moryakin S. A., Poberovskii A. V. Development of a space-borne spectrometer to monitor atmospheric ozone // Applied Optics. 2015. V. 54. No. 11. P. 3315–3322.
- Heath D. F., Krueger A. J., Roeder H. A., Henderson B. D. The solar backscatter ultraviolet and total ozone mapping spectrometer (SBUV/TOMS) for Nimbus 7 // Optical Engineering. 1975. V. 14. No. 4. P. 323–331.
- Kramarova N. A., Nash E. R., Newman P. A., Bhartia P. K., McPeters R. D., Rault D. F., Seftor C. J., Xu P. Q., Labow G. J. Measuring the Antarctic ozone hole with the new Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS) // Atmospheric Chemistry and Physics. 2014. V. 14. P. 2353–2361.
- Levelt P. F., van der Oord G. H. J., Dobber M. R., Mälkki A., Visser H., de Vries J., Stammes P., Lundell J. O. V., Saari H. The ozone monitoring instrument // IEEE Trans. Geosciences Remote Sensing. 2006. V. 44. No. 5. P. 1093–1101.
- Munro R., Lang R., Klaes D., Poli G., Retscher C., Lindstrot R., Huckle R., Lacan A., Grzegorski M., Holdak A., Kokhanovsky A., Livschitz J., Eisinger M. The GOME-2 instrument on the Metop series of satellites: instrument design, calibration, and level 1 data processing — an overview // Atmospheric Measurement Techniques. 2016. No. 9. P. 1279–1301.
- Platt U., Stuz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS), Principles and Applications. Berlin – Heidelberg: Springer, 2008. 598 p.
- Pommereau J.-P., Goutai F. O3 and NO2 ground-based measurements by visible spectrometry during arctic winter and spring 1988 // Geophysical Research Letters. 1988. No. 15. P. 891–894.
- Veefkind J. P., Aben I., McMullan K., Förster H., de Vries J., Otter G., Claas J., Eskes H. J., de Haan J. F., Kleipool Q., van Weele M., Hasekamp O., Hoogeveen R., Landgraf J., Snel R., Tol P., Ingmann P., Voors R., Kruizinga B., Vink R., Visser H., Levelt P. F. TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 120. P. 70–83.