یکشنبه, ۰۷ اردیبهشت ۱۳۹۹ ۰۱:۵۸ ۳۰۹
چچ

کالیبراسیون رادیومتریک حسگرهای الکترواپتیکی و اهمیت آن در ماموریت های فضایی


امروزه به منظور دستیابی به مشخصات دقیق حسگرهای الکترواپتیکی مدرن مورد استفاده در کاربردهای فضاپایه و سنجش از دور و همچنین اطمینان از حصول تمامی اهداف ماموریت محوله، لازم است حسگرها به طور دقیق مورد آزمایش وکالیبراسیون قرار گیرند. هدف از کالیبره کردن حسگرهای الکترو اپتیکی، اندازه گیری صحیح خصوصیاتی نظیر پاسخ رادیومتری (تابش، بازتاب و عبور)، ویژگی های طیفی، ویژگی های فضایی (مکان، اندازه و توزیع)، ویژگی های وابسته به زمان (تغییرات با زمان) و خواص قطبشی یک جسم دور (از دید ماهواره) مانند زمین و یا اجرام فضایی است. این خصوصیات از بررسی پاسخ حسگرها به شار ورودی به حسگر که از طریق روزنه یا پنجره ورودی دریافت می‌شود، بدست می‌آید. استخراج اطلاعات درباره اشیاء، اجرام و پدیده‌های مختلف از طریق تکنیک سنجش از دور تنها در صورتی امکان پذیر است که رفتار حسگرها در مواجه با تابش‌های مختلف کاملا مشخص باشد که تعیین این رفتار تنها از طریق کالیبراسیون حسگرها حاصل می شود. در فرآیند کالیبراسیون پارامترهایی از یک حسگر محاسبه می گردد که به وسیله آن پارامترها عملکرد حسگر در کاربرد مورد انتظار از آن درک و سنجیده می‌شود. در فرآیند کالیبراسیون مقادیر خروجی حسگرها (در واحدهای ولت، جریان و... ) به واحدهای فیزیکی (اغلب واحدهای رادیومتری مانند W/cm2 , J/Sec/cm2 و ...) در استانداردهای شناخته شده و با عدم قطعیت معین، تبدیل می‌شوند. نمودار زیر مراحل مختلف فرآیند کالیبراسیون را روی محور زمان نشان می‌دهد. بازه بین طراحی اولیه حسگر تا کاربرد عملی حسگر دوره عمر سنسور نامیده می شود.



چرا کالیبراسیون حسگرهای الکترواپتیکی ضروری است؟
برای مشخص شدن پاسخ حسگرها به یک ورودی رادیومتری مشخص و همچنین بررسی برهمکنش ها و وابستگی بین بخش های اپتیکی، مکانیکی و الکترونیکی لازم است که یک حسگر الکترواپتیکی کالیبره شود. علاوه بر این در حین فرآیند کالیبراسیون ویژگی‌های عملکردی خاص حسگر و خطاهای سیستمی آن مشخص می‌گردد. فرآیند کالیبراسیون به دلایل ذیل در افزایش احتمال موفقیت ماموریت نقش دارد:
• شناسایی محدودیت ها و اندازه گیری کیفیت عملکرد
• فراهم آوردن پارامترها و معادلات مشخصه ای که بین سیگنال اندازه گیری شده و رادیانس و اطلاعات مکانی ارتباط برقرار می کنند
• امکان تفسیر به موقع و صحیح داده ها جهت ایجاد دقت بیشتر در ماموریت محوله
• کمینه کردن اثر رفتار حسگر بر اندازه گیری های مورد نظر، با شناسایی و مشخص کردن ویژگی های عملکردی منحصر به فرد حسگر
• تعیین میزان عدم قطعیت در اندازه گیری که می‌تواند فهم واضح تری از داده ها را بوجود آورد
• تایید توانایی حسگر در برآورده کردن الزامات ماموریت محوله
بنابراین کالیبراسیون حسگر بر روی کیفیت تفسیر داده ها و در نتیجه در موفقیت و یا شکست یک ماموریت تاثیر حیاتی دارد و اهمیت آن تنها به ارزیابی عملکرد یک حسگر و یا حل یک مشکل خاص محدود نمی شود. مثال های پیش رو ماموریت های تعدادی از حسگرهای شاخص را نشان می دهد که موفقیت ماموریت خود را مدیون فرآیند کالیبراسیون می باشند.

لندست (Landsat)
برنامه لندست که طولانی ترین مجموعه داده های پیوسته از تصاویر زمین با رزولوشن بالا را فراهم کرده است، موفقیت خود را تا حدودی به توانایی درک ویژگی های رادیومتری حسگرها که از ترکیب اطلاعات حاصل از کالیبراسیون قبل از پرتاب و پس از پرتاب بدست آمده، مدیون است. بیش از ۱۵۰۰۰ ضریب برای بازه های زمانی معین در نظر گرفته شده که این ضرایب به طور مداوم با ضرایب کالیبراسیون بهبود یافته به روز می‌شوند. کالیبراسیون رادیومتریک سیستم‌ این امکان را فراهم می کند که داده‌های لندست به صورت کمیت های قابل درک مورد استفاده قرار گیرند.


دستگاه اندازه گیری جوی با استفاده از تابش سنجی رادیویی پهن باند ( saber)
Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry ( saber)
دستگاه اندازه گیری جوی با استفاده از تابش سنجی رادیویی پهن باند ( saber) یک تابش سنج 10 کاناله است که گستره طول موجی 1.27 تا 17 میکرومتر را پوشش می دهد. در این دستگاه از یک سیستم خنک کننده مکانیکی بسیار پیشرفته که توانایی خنک سازی آرایه های صفحه کانونی را تا 75 درجه کلوین دارد، استفاده شده که این امر باعث دستیابی به حساسیت رادیومتریکی، انعطاف پذیری عملکردی و طول عمر عملیاتی بالا شده است. جهت عملکرد دقیق و بلند مدت، یک سیستم کالیبراسیون حین پرواز بر روی دستگاه نصب شده است. saber در سال ۲۰۰۱ در ماهواره ترموسفر- یونوسفر- مزوسفر انرژی و دینامیک (TIMED) با هدف مطالعه ساختار، ترکیب و تعادل انرژی در مزوسفر و لایه ترموسفر پایین پرتاب شد. این تجهیز تا به امروز به تولید داده های جدید می پردازد. کالیبراسیون دقیق و شناخت صحیح جزئیات تجهیز saber باعث شده است که این تجهیز توانایی تولید داده های ژئوفیزیکی معنا دار و مفید را دارا باشد.
Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics (TIMED)
سیستم سنجش انرژی تابشی زمین و ابرها ( ceres)
Clouds and the Earth’s Radiant Energy System ( ceres)


سیستم سنجش انرژی تابشی زمین و ابرها ( ceres) که بر روی فضاپیماهای Aqua، Terra وSuomi/NPP نصب گردیده، نمونه ای از تجهیزات مطالعه سیستم آب وهوای زمین است. ابزارهای ceres شامل رادیومترهای پهن باند و بسیار دقیقی هستند که شدت تابش بازتابی و شدت تابش مادون قرمزگسیل شده از بالای اتمسفر را اندازه گیری می کنند. تابش خالص بالای اتمسفر از میانگین انرژی ورودی به زمین و خروجی از آن طی یک بازه زمانی طولانی بدست می آید. در شرایط آب و هوای متعادل این اختلاف برابر با صفر است. اگر آب و هوا وضعیت نامتعادلی داشته باشد تا زمان رسیدن دوباره به وضعیت تعادل در بازتاب های بالای اتمسفر عدم تعادل مشاهده می شود. این عدم تعادل ممکن است در حدود 1 W/m2 بوده که آشکارسازی چنین تغییراتی کار دشواری است. از طرفی کالیبراسیون تجهیزات به دلایل متعددی بعد از مدتی دچار تغییر شده و در نتیجه باعث ایجاد اختلاف بین مقدار واقعی و مقدار اندازه گیری شده می شود و در صورت عدم لحاظ شدن این موضوع، این تغییرات به عنوان تغییرات در آب وهوا در نظر گرفته می شود. بنابراین کالیبراسیون منظم و درک کامل از سیستم حسگرها برای اندازه گیری های دقیق جوی ضروری است.
تلسکوپ تصویربرداری مادون قرمز مکانی(SPIRIT III)
Spatial Infrared Imaging Telescope (SPIRIT)


تلسکوپ تصویربرداری مادون قرمز مکانی (SPRIT III) بر روی فضاپیمای آزمایشات میان دوره ای فضایی (MSX) در آوریل 1996 به فضا پرتاب شد. در این پروژه برای اطمینان از صحت و همچنین اعتماد به داده ها، روش هایی برای تأیید روند تبدیل داده های خام حسگر به خروجی های صحیح کالیبره شده، توسعه داده شد. در این پروژه داده های خام قبل از بایگانی، کالیبره شده که این عمل به کاربران اجازه می دهد تا در پردازش مجدد به داده های بهتری دسترسی داشته باشند. کیفیت داده ها توسط تیم ارزیابی عملکرد تأیید شده و بعد از بازبینی تمام پردازش ها توسط کمیته صدور گواهینامه و انتقال تکنولوژی، گواهینامه آزمون نهایی و ارزیابی عدم قطعیت آن صادر گردید.


آینده کالیبراسیون چگونه است؟
اهمیت کالیبراسیون دقیق حسگرها رو به افزایش است. برای بازیابی دقیق دمای اتمسفر نیاز است تا رادیانس اندازه گیری شده با دقت نسبی کمتر از 1% کالیبره شود. تشخیص این مساله که در آشکارسازی تغییرات آب و هوایی با استفاده از اندازه گیری های انجام شده توسط اندازه گیری های ماهواره ای، کالیبراسیون به عنوان یک فاکتور محدود کننده عمل می کند، باعث شده که بزرگان صنعت جهت دستیابی به عملکرد مورد انتظار، رویکرد ها و روش های جدیدی برای کالیبراسیون ارائه کنند. یکی از این پیشنهادها مربوط به پروژه مشاهده بازتاب و رادیانس مطلق آب و هوا است.


Climate Absolute Radiance and Refractivity Observatory ( clarreo)


ماموریت مشاهده بازتاب و رادیانس مطلق آب و هوا ( clarreo) ناسا در سال 2007 توسط آکادمی ملی علوم آمریکا به عنوان یک ماموریت مبتکرانه با هدف شناسایی و علت یابی تغییرات آب و هوا با استفاده از اندازه گیری های فضاپایه در طیف های مادون قرمز و مرئی زمین، پیشنهاد شد. مشخصه clarreo این است که با استفاده از سیستم بین المللی واحد ها (SI) می تواند بین رادیانس های اندازه گیری شده در مدار و استانداردهای مترولوژی معروف ارتباط برقرار کند. مشخصه منحصر به فرد clarreo این است که امکان نظارت بر پارامترهای کالیبراسیون مطلق و پارامتر های عملکردی دستگاه را در تمام طول عمر ماموریت سنجنده در مدار، فراهم خواهد کرد. تجهیزات جانبی دیگری نیز به همراه حسگر حمل می شوند که برای مثال می‌توان به لیزر مادون قرمز اشاره کرد که برای نظارت بر تغییرات میزان تابش در طول زمان ماموریت مورد استفاده قرار می گیرد در صورت به وجود آمدن تغییرات به ظاهر کوچک در تجهیزات، با تغییر در سیستم آب وهوایی اشتباه گرفته نشود.

دقت رادیومتریکی مطلق با انجام کالیبراسیون برای تمامی طیف های اندازه گیری شده، حفظ خواهد شد و بررسی مداوم این طیف ها در تمام مدت انجام مأموریت با استفاده از استاندارد دمای کلوین از طریق ارجاع به طیف جسم سیاه با دمای مشخص که همراه با حسگر در مدار قرار دارد انجام می شود. در اواخر سال 2014 این مأموریت در فاز برنامه ریزی مقدماتی ناسا قرار گرفت و قرار است در سال 2023 از روی سکوی ایستگاه فضایی بین المللی آغاز به کار کند.

آدرس کوتاه شده:
فهرست طبقات