Team: Sensorspezifische Verfahren



Eine der Grundvoraussetzungen für erfolgreiche satellitengestützte Fernerkundungsmessungen der Erdatmosphäre ist die Fähigkeit, das registrierte spektrale Signal mit hoher Genauigkeit in physikalische Größen umzuwandeln und diesen Prozess über die gesamte Dauer der Satellitenmission aufrechtzuerhalten. Welche Schritte hierbei berücksichtigt werden müssen, hängt von den Eigenschaften des Instruments ab. Zusätzlich kann es erforderlich sein, auch Einflüsse der instrumententragenden Plattform mit einzubeziehen. Momentan befasst sich IMF-AP ausschließlich mit Atmosphärenmissionen, die im UV bis SWIR Spektralbereich arbeiten. Das sogenannte Retrieval extrahiert aus kalibrierten Spektren (Strahldichten) die gesuchten geophysikalischen Parameter, meistens durch Auswertung der beobachteten Absorptionsmerkmale. Deshalb umfasst die von uns durchgeführte Kalibrierung ausschließlich Absorptionsspektrometer.

Prinzipiell besteht die Aufgabe der Kalibrierung darin, elektronische Detektorsignale, die als Binäreinheiten vorliegen, in physikalische Größen zu transferieren. Dies geschieht durch sequentielle Anwendung von Kalibrierschritten gemäß einer Kalibriergleichung. Im Allgemeinen stellt diese für jedes Spektrometer einen Zusammenhang zwischen der einfallenden wellenlängenabhängigen Intensität und dem gemessenen Signal her. Dabei müssen die Einflüsse von Transmission, Quanteneffizienz, Streulicht, Dunkelstrom sowie elektronischer Effekte berücksichtigt werden. Die Aufgabe der Kalibrierung besteht darin, diese Gleichung für jedes Detektorpixel zu lösen und durch Inversion die Intensität als Funktion der Wellenlänge, d.h. das Spektrum zu erhalten. Folgende Schritte sind für die Kalibrierung nötig:

  • Korrektur von Detektoreffekten und elektronischen Effekten: Das können z. B. Nichtlinearität, Dunkelsignal und den Unterschieden im Antwortverhalten einzelner Pixel sein.
  • Wellenlängenkalibrierung: Sie weist jedem einzelnen Pixel eine Wellenlänge zu. Dies geschieht entweder durch Auswertung von speziellen Eichlampen an Bord des Instrumentes oder mit Hilfe von natürlichen Lichtquellen, z. B. mit Fraunhoferlinien der Sonne. Voraussetzung dafür ist, die Linienpositionen der Lichtquellen sehr gut zu kennen.
  • Korrektur des Streulichtes der Optik: Man unterscheidet zwischen:
    • Streulicht durch Reflektion(en) im Instrument, die Licht bestimmter Wellenlänge auf Pixel lenken, die bei dieser Wellenlänge kein Licht empfangen sollten (spektrales Streulicht) und 
    • Licht, welches von außerhalb des direkten Sichtfeldes in das Teleskop gestreut wird (räumliches Streulicht)
  • Korrektur von Polarisationseffekten: Ohne spezielle Vorkehrungen ist die Transmission optischer Instrumente im Allgemeinen auch abhängig von der Polarisation. Um zu verhindern, dass die Polarisation das Spektrum verfälscht, wird diese üblicherweise gemessen, analysiert und korrigiert.
  • Radiometrische Kalibrierung, welche das Signal am Detektor mit Hilfe von Daten aus Messungen kalibrierter Lichtquellen in physikalische Messeinheiten umwandeln, z. B. Watt pro Quadratmeter pro Wellenlänge pro Raumwinkel.

Sind alle diese Schritte vollzogen, kann man die wellenlängenabhängige Reflektanz berechnen, d.h. den Quotienten aus Erdstrahldichte und solarer Einstrahlung (Irradianz). Reflektanzen bilden die Grundlage für das Spurengasretrieval.
  
Die für die Durchführung der Kalibrierung nötigen Parameter werden in der Entwicklung eines Instruments im Rahmen umfangreicher Bodentests bestimmt. Beim Start liegen damit alle Informationen vor, um den Sensor zu eichen. Jedoch sind die Kalibrierparameter während der Mission nicht konstant. Während eines Erdumlaufs ändern sich die Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Temperatur oder Strahlungsbelastung. Zusätzlich degradieren optische und elektronische Komponenten im Orbit. Deshalb ist es erforderlich, während der Mission regelmäßig Kalibrierungs- und Monitoringmessungen auszuführen, deren Analyse Aufschluss gibt über Änderungen der Kalibrierungsparameter sowie zu berücksichtigende Alterungseffekte.
  
Ziel einer vollständigen Kalibrierung ist letztendlich, hochgenaue Spektren zur Verfügung zu stellen, aus denen unter Anwendung von Retrievalalgorithmen geophysikalische Parameter mit maximaler Genauigkeit ableitbar sind.


Kontakt
Dr.rer.nat. Günter Lichtenberg
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Institut für Methodik der Fernerkundung
, Atmosphärenprozessoren
Tel: +49 8153 28-1331

Fax: +49 8153 28-1446

E-Mail: Guenter.Lichtenberg@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/eoc/desktopdefault.aspx/tabid-5419/9376_read-18074/
Links zu diesem Artikel
http://www.iup.physik.uni-bremen.de/sciamachy/LTM/LTM.html
http://earth.esa.int/services/SciaL1C_tool/SciaL1c_SUM_6.0B.pdf