Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6665
Das Abtastverfahren der Interferogramme des flugzeuggetragenen Fourierspektrometers MIPAS-STR
Zusammenfassung
MIPAS-STR (Michelson Interferometer für passive atmosphärische Sondierung - Stratosphärenflugzeug) ist ein gekühltes Fourierspektrometer zur Messung der thermischen Emission atmosphärischer Moleküle im mittleren infraroten Spektralbereich. Es wird für Atmosphärenmessungen von dem hochfliegenden russischen Forschungsflugzeug M-55 GEOPHYSICA aus betrieben. Durch Anwendung des Horizontsondierungsverfahrens ist es möglich, zweidimensionale Schnitte der Volumenmischungsverhältnisse verschiedener Spurengase zu bestimmen. Zur Optimierung der horizontalen Auflösung der zweidimensionalen Schnitte wird für jede Tangentenhöhe nur ein Interferogramm gemessen. Diese Meßstrategie setzt voraus, daß das Interferogramm ein entsprechend geringes Rauschen aufweist und die Qualität der Messung durch die Vibrationen des Flugzeugs nicht maßgeblich verschlechtert wird.
Diese Arbeit befaßt sich mit den Auswirkungen von Vibrationen auf das Interferometer des MIPAS-STR und der Minimierung der dadurch entstehenden Störungen im gemessenen Spektrum durch die Anwendung eines neuartigen zeitäquidistanten Abtastverfahrens für Interferogramme. Harmonische Schwingungen der optischen Komponenten eines Interferometers führen zu sogenannten Geschwindigkeitsschwankungen des optischen Gangunterschieds. Wenn zusätzlich dazu eine elektrische Laufzeitdifferenz zwischen dem IRInterferogramm und dem Interferogramm des Referenz-Lasers, der die Ortsachse des IRInterferogramms definiert, besteht, entstehen Abtastfehler des IR-Interferogramms und dadurch sogenannte Geisterlinien im Spektrum. Das neue Abtastverfahren ermöglicht, auf relativ einfache Weise die elektrische Laufzeitdifferenz zwischen dem IR-Interferogramm und dem Interferogramm des Referenz-Lasers zu korrigieren und dadurch die Entstehung von Geisterlinien zu unterdrücken.
Dieses Abtastverfahren wurde in drei Stufen daraufhin getestet, wie gut Geisterlinien bei einer vorgegebenen harmonischen Geschwindigkeitsschwankung durch die Korrektur der elektrischen Laufzeitdifferenz unterdrückt werden. Zuerst wurde der Interpolationsfilter, der das zentrale Element des Abtastverfahrens ist, numerisch getestet. In einem zweiten Schritt wurde das in der Interferometerelektronik implementierte Verfahren mit Signalgeneratoren, die die Interferogramme simulierten, überprüft. Mit dem optimalen Versuchsaufbau ergaben sich bei 25% Geschwindigkeitsschwankung und einer optimalen Laufzeitkorrektur relative Geisteramplituden von 2.0 · 10-4 bezogen auf die Amplitude der Originallinie.
Der dritte Schritt umfaßte den Test des gesamten MIPAS-STR. Als IR-Quelle wurde ein IRDiodenlaser verwendet, was den Vorteil hatte, daß die Geisterlinien leicht zu identifizieren sind und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von ca. 4000 erreicht werden konnte. Die Versuche mit dem Gesamtsystem ergaben bei 25% Geschwindigkeitsschwankung und einer optimalen Laufzeitkorrektur relative Geisteramplituden von 1.0%. Außerdem wurde im Widerspruch zur bis dahin bekannten Theorie beobachtet, daß die Magnituden der Geisterlinien 1. Ordnung unterschiedlich groß sind.
Um die Beobachtungen zu verstehen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Theorie der Geisterlinien und das Simulationsprogramm GHOST_SIM entwickelt. Es zeigte sich, daß die verbleibenden Geisteramplituden beim Test des Gesamtsystems vor allem durch geringfügig unterschiedliche Geschwindigkeitsschwankungen des IR- und des Referenz-Laser-Interferogramms zustande kommen (Phasenmodulation 2. Art). Die unterschiedlichen Magnituden der Geisterlinien 1. Ordnung werden durch eine Kombination der Phasenmodulation 2. Art mit einer durch einen nicht konstanten Amplitudengang der Signalstrecke induzierten Amplitudenmodulation erklärt. Insbesondere die Untersuchungen des Gesamtsystems lieferten Erkenntnisse, wodurch die Nachweisempfindlichkeit des MIPAS-STR erheblich gesteigert werden kann.
The sampling system for interferograms of the airborne Fourier transform spectrometer MIPAS-STR
Abstract
The MIPAS-STR (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding - STRatospheric aircraft) is a cryogenic Fourier transform spectrometer for measuring thermal emission of atmospheric species in the mid-infrared spectral range. It is operated on board of the Russian high-altitude aircraft M-55 GEOPHYSICA. Two-dimensional distributions of volume mixing ratios of various trace gases are measured by limb sounding. To optimize the horizontal resolution of the two-dimensional distributions, only one interferogram is measured at each tangent height. The measurement strategy requires low-noise interferograms and measurements that are insensitive to vibrations of the aircraft.
The present thesis deals with the effects of vibrations on the MIPAS-STR interferometer and the minimization of perturbations in the spectrum using a novel time-equidistant sampling method for the interferograms. Vibrations of the optical components of the interferometer lead to velocity variations of the optical path difference. In case of different time delays in the IR and reference laser detection chains, sampling errors of the IR interferogram and consequently so-called ghost lines in the spectrum occur. The new sampling method allows for a correction of the electric delay, as a result of which the formation of ghost lines is suppressed.
The sampling method was investigated in three steps for its capability of reducing the ghost lines for a given harmonic velocity variation by changing the electric time delay. First, the interpolation filter, i.e. the central part of the sampling system, was tested numerically. In a second step, the interferometer electronics was investigated using signal generators simulating the interferograms. The final test setup yielded - for a velocity variation of 25% - at the optimum time delay ghost amplitudes of 2.0·10-4 relative to the amplitude of the original line. In the third step, the complete MIPAS-STR was tested. By using a diode laser as infrared source, the ghost lines were easily identified and a signal-to-noise ratio of about 4000 was achieved. Tests of the system with a velocity variation of 25% resulted in relative ghost amplitudes of 1.0% at the optimum time delay.
In contrast to the theory, the amplitudes of the two first-order ghost lines were different in the magnitude spectra. To understand this observation, the theory of ghost lines was further developed and tested with the program GHOST_SIM. It was found, that the remaining ghost amplitudes observed in the test of the complete MIPAS-STR were caused by slightly differing velocity variations during the sampling of the IR- and reference laser interferograms (phase modulation of 2nd kind). The unequal magnitudes of the two first-order ghost lines were explained by a combination of 2nd kind phase modulation and an amplitude modulation induced by the frequency-dependent amplitude response of the signal chain. In particular the investigations of the complete MIPAS-STR will allow to considerably increase the sensitivity of the instrument.