Исследование атмосферы Земли с орбитальной станции «МИР». Конструкция и описание спектрометра

Лекция №10 Исследование атмосферы Земли с орбитальной станции «МИР» В 19961997 г.г. на космической станции «Мир» работал спектрометр «Озон-Мир» для спутниковых измерений газового и аэрозольного состава атмосферы. Прибор был разработан и спроектирован в Санкт-Петербургском государственном университете (НКБ «Интеграл» и НИИФ). Основная миссия ‑ получение информации о вертикальных профилях содержания O3, NO2, H2O и о коэффициенте ослабления излучения аэрозолем на основе регистрации солнечного излучения в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра затменным методом. Спектрометр «Озон-Мир» был установлен на модуле «Природа»* орбитальной станции «Мир» и предназначался для из­мерений спектров прямой солнечной радиации в области спектра 0.25-1.15 мкм. Для определения вертикальных профилей содер­жания О3 предназначены измерения в спектральных диапазонах 270-330 и 600-770 нм, содержания NO2 365-460 нм. Определение высоты над по­верхностью Земли оптической трассы спутник - Солнце проводится по измерениям в спектральных интервалах, расположенных в области полос поглощения кислорода, вблизи 690 и 760 нм. В спект­ральном канале 365-460 нм имеются два спект­ральных интервала 375.2 н 373.25 нм, расположен­ные на крыльях сильной фраунгоферовой линии с центром вблизи 374,2 нм. Отношение регистрируемых в них сигналов от непоглощенного атмосферой солнечного излучения используется для контроля спектральной градуировки спектрометра. *«Природа» — исследовательский модуль орбитального комплекса «Мир», предназначенный для исследования поверхности и атмосферы Земли, атмосферы в непосредственной близости от «Мира», влияния космического излучения на организм человека и поведения различных материалов в условиях космического пространства, а также получения в условиях невесомости особо чистых лекарственных препаратов. Стартовая масса — 19340 кг. Геометрические характеристики: длина по корпусу — 11,55 м, максимальный диаметр — 4,15 м, объём герметичного отсека — 65 м3. Конструкция модуля включала один герметичный приборно-грузовой отсек. Запущен 23 апреля 1996 года с пусковой установки площадки космодрома Байконур ракетой-носителем «Протон-К». Рис.1 Модуль «Природа» на орбитальной станции «Мир» Конструкция и описание спектрометра Конструкция прибора основана на использовании схемы двойного монохроматора со скрещенной дисперсией, что обеспечивало малое количество рассеянного света в приборе. Спектральные характеристики прибора позволяли регистрировать солнечное излучение одновременно в четырех спектральных областях от 265 до 1130 нм. Измерения выполнялись в 188 спектральных каналах, расположенных в 4-х спектральных областях в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Спектральное разрешение аппаратуры составляло от 0,3 до 0,8 нм в зависимости от длины волны регистрируемого излучения. Вертикальное разрешение аппаратуры менее 1 км, период измерений 1 с., что соответствует приблизительно 2 км по высоте. Время регистрации одного спектра во всех четырех спектральных областях около 1 с. Угловое поле зрения спектрометра 1'x20', что соответствует пространственному разрешению 0,6 км (по вертикали) и 12 к м (по горизонтали). Основные отличительные спектральные особенности спектрометра “Озон-Мир”: а) спектрометр “Озон-Мир” осуществлял измерения солнечного излучения в УФ области спектра, где наблюдается очень сильное поглощение солнечного излучения, обусловленное очень большими значениями коэффициентов поглощения озона; б) российский прибор имел более 180 спектральных каналов измерений в спектральной области 265−1130 нм; в) спектрометр “Озон-Мир» имеет каналы измерений в полосах поглощения кислорода (690 и 760 нм). Из этих спектральных особенностей прибора вытекают следующие основные следствия: ‑ потенциальная точность восстановления профилей содержания озона прибором “Озон-Мир” существенно выше, чем у существующих на тот момент аналогов, т.к. при решении обратной задачи можно использовать до 50 спектральных каналов измерений в полосах поглощения Хартли-Хюггинса и Шаппюи. Каждому каналу измерений соответствует свое значение коэффициента поглощения озона, оптимальное для разных высот в атмосфере и разных содержаний озона; ‑ наличие каналов измерений в полосах поглощения кислорода позволяло осуществлять независимую абсолютную высотную привязку измерений спектрометра “Озон- Мир”, что является очень важным для качественного решения обратной задачи. - измерения в отдельных спектральных каналах производились через равные (около 20 мс) промежутки времени, что, вследствие движения спутника по орбите, соответствует сканированию атмосферы с шагом по прицельной высоте около 50 м. Такое сканирование, несмотря на величину высотного разрешения прибора около 1 км, в некоторых случаях может позволить восстановить тонкую структуру вертикальных профилей содержания озона. Оцененное по результатам спутниковых измерений реальное отношение сигнал/шум существенно варьирует для различных каналов прибора (от 200 до нескольких единиц), что вызвано сильной спектральной изменчивостью его чувствительности. При обработке измерений исключались из рассмотрения каналы с низким уровнем сигнала и, соответственно, большим шумом. Фактически при решении обратной задачи использовалось около 120 спектральных каналов, относительная величина шума в которых менялась от 50% до единиц процентов. Оптическая схема Спектрометр состоит из двух основных частей: системы наведения оптической оси прибора на Солнце, включающей плоское и параболическое зеркала и фотоэлектрические датчики грубого и точного наведения, и двойного монохрома со скрещенной дисперсией с плоской дифракционной решеткой с 200 штр/мм, кварцевой призмой и вне осевыми параболическими зеркалами с фокусным расстоянием 278 мм в качестве коллиматоров. Рис. 2 Оптическая схема спектрометра «Озон-Мир» 1 - плоское вращающееся зеркало, 2 – фотоэлектрические датчики системы наведения, 3 – плоское зеркало, 4 - внеосевое параболическое зеркало, 5 - зеркальная призма Дове, 6 - входная щель монохроматора, 7 - дифракционная решетка, 8 - сканирующий диск, 9 - щелевая маска, 10 –кварцевая призма, 11 - блок кварцевых световодов, 12 – приемники излучения По условиям проведения экспериментов необходимо, чтобы входная щель монохроматора была параллельна горизонту Земли. Это обеспечивается применением зеркальной призмы Доне, которая вращается синхронно с азимутальным вращением плоского зеркала системы наведения, но с меньшей скоростью. Вращение зеркала системы наведения и зеркальной призмы Дове во время измерений приводит к небольшому изменению поляризации солнечного излучения, поступающего в монохроматор и может привести к изменениям сигнала в пределах от 0,3 до 1,0%. Грубый датчик системы наведения, построенный но принципу теневого датчика, обеспечивает наведение на Солнце с точностью лучше 30'. Точный датчик, расположенный над входной щелью монохроматора вблизи фокуса входною параболического зеркала, имеет погрешность наведения не более 20". Из-за рефракции света при измерениях в нижней атмосфере (< 25 км) изображение Солнца в плоскости входной щели значительно деформировано и его размер в направлении, перпендикулярном горизонту Земли, существенно уменьшается. Поэтому конструкцией датчика предусмотрено сохранение постоянным расстояния от верхнего недеформируемого края изображения Солнца до входной щели. В плоскости средней щели монохроматора расположена маска с набором щелей, выделяющих спектральные интервалы. Поочередное пропускание света через щели осуществляется при помощи вращающегося диска с соответствующим расположением отверстий. Исследование формы спектрального распределения внутри выделяемых интервалов показало, что вблизи центра спектрального диапазона оно имеет вид треугольной, а на краях спектрального диапазона ‑ трапецеидальной функции. Угловое поле спектрометра "Озон-Мир" ограничено элементами конструкции орбитальной станции «Мир». Оно составляет ±65° по азимуту и -5°...+20° ни углу места. Зеркало следящей системы вращается в этом диапазоне углов с максимальной скоростью 9 град/с в режиме поиска Солнца. По окончанию эксперимента плоское зеркало возвращается в исходное положение и закрывается крышкой. Состав «Озон-Мир» состоит из трех отдельных блоков; оптического, детектирования и электронного. Оптический блок, за исключением плоского зеркала системы наведения, находится в герметичном контейнере, заполненном сухим азотом под давлением 1,2 атм. Он установлен на внешней стороне боковой стенки модуля «Природа». Два других блока размещены внутри спутника. В блоке детектирования сигналы, поступающие от приемников излучения, усиливаются и переводятся в цифровой вид, проводится их помехозащищающее кодирование и формируется информационный кадр, который передается в систему телеметрии модуля «Природа». Передача информации из блока детектирования осуществляется со скоростью 50 кбит/с. Электронный блок содержит программирующее устройство, которое задает алгоритм работы спектрометра «Озон-Мир» после поступления внешней команды "Работа". После этой команды происходит десятиминутный прогрев аппаратуры, проверяется система передачи информации, выставляются коэффициенты усиления в спектральных каналах по максимальному сигналу, поступающему от Солнца, осуществляется измерения и возврат систем аппаратуры в исходное состояние. Выключение аппаратуры в экстренном случае осуществляется внешней командой "Конец работы". Контроль давления и температуры в гермоконтейнере, потребляемой электрической мощности и некоторых других параметров аппаратуры происходит по аналоговым каналам телеметрической системы модуля «Природа». Основные характеристики Предназначен для измерений спектров прямой солнечной радиации в области спектра 0,25-1,15 мкм. Основные параметры: Число спектральных каналов 4 , спектральных интервалов 180; Ширина спектрального канала; ФПУ - фотоумножитель, кремниевый фотодиод; Время сканирования 1с; Входной коллиматор внеосевая парабола диаметром 55 мм, фокус 280 мм; Мгновенное угловое поле 1 ´ по углу места и 6 ´по азимуту; Точность наведения на солнце 0,3 ´; Общий вес 80 кг; Потребляемая мощность 160 Вт.