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Modelling and validation of slit-homogenizers for space-based imaging spectrometers
Modelling and validation of slit-homogenizers for space-based imaging spectrometers
Increasing recent demands for climate awareness require accurate measurement and monitoring of the atmospheric composition. A suitable method for this is the measurement via spaceborne passive imaging spectrometers. The analysis of Earth radiance spectra allows to determine the concentration of absorbing gases in the atmosphere. The measurement accuracy of recent and future spaceborne imaging spectrometers with a high spectral and spatial resolution suffers from the inhomogeneity of the radiance of the observed Earth scene. The scene heterogeneity creates a pseudo-random deformation of the instrument's spectral response function (ISRF), which is the direct link between the forward radiative transfer model, used to retrieve the atmospheric state, and the radiance measured by the instrument. Consequently, heterogeneous scenes will degrade the precision of the retrieved column concentration of the atmospheric components. The present thesis aims to investigate a hardware solution called slit homogenizer (SH), which is used to mitigate the impact of heterogeneous scenes. Several new design considerations, performance predictions and further implications of employing a SH are presented. First, a mirror-based 1D-slit homogenization solution (1DSH) that homogenizes the scene in along-track direction is investigated. To this end, the performance of the 1DSH is modelled by a comprehensive propagation model based on scalar diffraction theory. In the context of the Sentinel-5/UVNS mission, the specific mission requirements on spectral accuracy with respect to applicable heterogeneous scene test cases are evaluated for the 1DSH. Second, a next-generation SH concept based on waveguides is presented. In the context of the upcoming \ce{CO2} Monitoring Mission (CO2M), a slit concept based on rectangular optical fibres is investigated. In this concept, the scene heterogeneity is scrambled in both along-track direction and across-track direction and is therefore referred to as 2D-Slit Homogenizer (2DSH). Particular emphasis is put on the study of the influence of the length and arrangement of the fibres on the scrambling performance. A specific bending routine is proposed to homogenize the far field after the fibre, which further stabilizes the spectral performance. Replacing a classical slit by a 2DSH also changes other than spectral aspects of the instrument like modified signal-to-noise ratios or co-registration schemes. Finally, using the 1DSH as an example, the impact of the stabilized spectral performance in the UV-VIS spectral range on the accuracy of the retrieved \ce{NO2} column density is investigated. For this, the artificially generated heterogeneous Earth radiance scene is propagated through a model of the Sentinel-5/UVNS instrument. The instrument propagation was performed for an instrument equipped with a SH and one with a classical slit. The resulting deviation in the retrieved column density from the ground truth is compared for both cases. The result of the enhanced retrieval accuracy underlines the advantages of employing a SH in spaceborne imaging spectrometers., Die zunehmenden aktuellen Anforderungen an die Erfassung wichtiger Klimaparameter erfordern eine genaue Messung und Überwachung der atmosphärischen Zusammensetzung. Eine geeignete Methode hierfür ist die Messung mit weltraumgestützten passiven abbildenden Spektrometern. Mit Hilfe der von der Erde reflektierten Spektren lässt sich die Konzentration der absorbierenden Gase in der Atmosphäre bestimmen. Die Messgenauigkeit aktueller und künftiger weltraumgestützter abbildender Spektrometer mit hoher spektraler und räumlicher Auflösung leidet unter der Heterogenität der Radianz der beobachteten Erdszene. Die Heterogenität der Szene führt zu einer pseudo-zufälligen Deformierung der spektralen Pulsantwort des Instruments (ISRF), die das Strahlungstransportmodell, das zur Rekonstruktion der atmosphärischen Parameter verwendet wird, mit der vom Instrument gemessenen Strahldichte verknüpft. Infolgedessen beeinträchtigen heterogene Szenen die Genauigkeit der ermittelten Säulenkonzentrationen der atmosphärischen Komponenten. In der vorliegenden Arbeit soll eine Hardware-Lösung namens Slit Homogenizer (SH) untersucht werden, die verwendet wird, um die Auswirkungen heterogener Szenen abzuschwächen. In dieser Arbeit werden mehrere neue Designüberlegungen, Effizienzvorhersagen und weitere Implikationen des Einsatzes eines SH vorgestellt. Zunächst wird eine spiegelbasierte 1D-Slit Homogenizer (1DSH) Lösung untersucht, die die Erdszene entlang der Flugrichtung des Satelliten homogenisiert. Dazu wird die Effizienz des 1DSH durch ein umfassendes Propagationsmodell auf der Grundlage skalarer Beugungstheorie modelliert. Im Kontext der Sentinel-5/UVNS-Mission werden die spezifischen Anforderungen der Mission an die spektrale Genauigkeit in Bezug auf mehrere relevenate heterogenen Szenen für den 1DSH evaluiert. Anschließend wird ein weiteres SH-Konzept vorgestellt, das auf optischen Wellenleitern basiert. Im Kontext der bevorstehenden \ce{CO2} Monitoring Mission (CO2M) wird ein Spaltkonzept auf der Basis von rechteckigen optischen Fasern untersucht. Dieses Konzept mischt die Heterogenität der Szene sowohl entlang der Flugrichtung des Satelliten als auch senkrecht dazu und wird daher als 2D-Slit Homogenizer (2DSH) bezeichnet. Insbesondere wird der Einfluss von Länge und Anordnung der Fasern auf die Homogenisierung der Szenen untersucht. Es wird eine spezielle Krümmung der Fasern vorgeschlagen, um das Fernfeld nach der Faser zu homogenisieren, was die spektrale Pulsantwort des Instruments weiter stabilisiert. Das Ersetzen eines klassischen Spalts durch einen 2DSH führt zu weiteren Konsequenzen für das Instrument, wie z.B. veränderte Signal-Rausch-Verhältnisse oder neue Methoden der co-Registrierung. Als letztes wird am Beispiel des 1DSH die Auswirkung der stabilisierten spektralen Leistung des Instruments auf die Genauigkeit der berechneten \ce{NO2} Säulen-konzentration im UV-VIS-Wellenlängenkanal untersucht. Zu diesem Zweck wird eine künstlich erzeugte heterogene Erdszene durch ein Modell des Sentinel-5/UVNS-Instruments propagiert. Die Instrumentenpropagation wurde für ein mit SH ausgestattetes Instrument und ein Instrument mit einem klassischen Spalt durchgeführt. Die aus der heterogenen Szene resultierende Abweichung der berechneten Säulenkonzentration von der tatsächlichen Säulenkonzentration wird für beide Fälle verglichen. Das Ergebnis der verbesserten Übereinstimmung zwischen berechneter und tatsächlicher Säulenkonzentration für ein Instrument mit SH unterstreicht die Vorteile der Verwendung eines SH in weltraumgestützten abbildenden Spektrometern.
Not available
Hummel, Timon
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Hummel, Timon (2022): Modelling and validation of slit-homogenizers for space-based imaging spectrometers. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Increasing recent demands for climate awareness require accurate measurement and monitoring of the atmospheric composition. A suitable method for this is the measurement via spaceborne passive imaging spectrometers. The analysis of Earth radiance spectra allows to determine the concentration of absorbing gases in the atmosphere. The measurement accuracy of recent and future spaceborne imaging spectrometers with a high spectral and spatial resolution suffers from the inhomogeneity of the radiance of the observed Earth scene. The scene heterogeneity creates a pseudo-random deformation of the instrument's spectral response function (ISRF), which is the direct link between the forward radiative transfer model, used to retrieve the atmospheric state, and the radiance measured by the instrument. Consequently, heterogeneous scenes will degrade the precision of the retrieved column concentration of the atmospheric components. The present thesis aims to investigate a hardware solution called slit homogenizer (SH), which is used to mitigate the impact of heterogeneous scenes. Several new design considerations, performance predictions and further implications of employing a SH are presented. First, a mirror-based 1D-slit homogenization solution (1DSH) that homogenizes the scene in along-track direction is investigated. To this end, the performance of the 1DSH is modelled by a comprehensive propagation model based on scalar diffraction theory. In the context of the Sentinel-5/UVNS mission, the specific mission requirements on spectral accuracy with respect to applicable heterogeneous scene test cases are evaluated for the 1DSH. Second, a next-generation SH concept based on waveguides is presented. In the context of the upcoming \ce{CO2} Monitoring Mission (CO2M), a slit concept based on rectangular optical fibres is investigated. In this concept, the scene heterogeneity is scrambled in both along-track direction and across-track direction and is therefore referred to as 2D-Slit Homogenizer (2DSH). Particular emphasis is put on the study of the influence of the length and arrangement of the fibres on the scrambling performance. A specific bending routine is proposed to homogenize the far field after the fibre, which further stabilizes the spectral performance. Replacing a classical slit by a 2DSH also changes other than spectral aspects of the instrument like modified signal-to-noise ratios or co-registration schemes. Finally, using the 1DSH as an example, the impact of the stabilized spectral performance in the UV-VIS spectral range on the accuracy of the retrieved \ce{NO2} column density is investigated. For this, the artificially generated heterogeneous Earth radiance scene is propagated through a model of the Sentinel-5/UVNS instrument. The instrument propagation was performed for an instrument equipped with a SH and one with a classical slit. The resulting deviation in the retrieved column density from the ground truth is compared for both cases. The result of the enhanced retrieval accuracy underlines the advantages of employing a SH in spaceborne imaging spectrometers.

Abstract

Die zunehmenden aktuellen Anforderungen an die Erfassung wichtiger Klimaparameter erfordern eine genaue Messung und Überwachung der atmosphärischen Zusammensetzung. Eine geeignete Methode hierfür ist die Messung mit weltraumgestützten passiven abbildenden Spektrometern. Mit Hilfe der von der Erde reflektierten Spektren lässt sich die Konzentration der absorbierenden Gase in der Atmosphäre bestimmen. Die Messgenauigkeit aktueller und künftiger weltraumgestützter abbildender Spektrometer mit hoher spektraler und räumlicher Auflösung leidet unter der Heterogenität der Radianz der beobachteten Erdszene. Die Heterogenität der Szene führt zu einer pseudo-zufälligen Deformierung der spektralen Pulsantwort des Instruments (ISRF), die das Strahlungstransportmodell, das zur Rekonstruktion der atmosphärischen Parameter verwendet wird, mit der vom Instrument gemessenen Strahldichte verknüpft. Infolgedessen beeinträchtigen heterogene Szenen die Genauigkeit der ermittelten Säulenkonzentrationen der atmosphärischen Komponenten. In der vorliegenden Arbeit soll eine Hardware-Lösung namens Slit Homogenizer (SH) untersucht werden, die verwendet wird, um die Auswirkungen heterogener Szenen abzuschwächen. In dieser Arbeit werden mehrere neue Designüberlegungen, Effizienzvorhersagen und weitere Implikationen des Einsatzes eines SH vorgestellt. Zunächst wird eine spiegelbasierte 1D-Slit Homogenizer (1DSH) Lösung untersucht, die die Erdszene entlang der Flugrichtung des Satelliten homogenisiert. Dazu wird die Effizienz des 1DSH durch ein umfassendes Propagationsmodell auf der Grundlage skalarer Beugungstheorie modelliert. Im Kontext der Sentinel-5/UVNS-Mission werden die spezifischen Anforderungen der Mission an die spektrale Genauigkeit in Bezug auf mehrere relevenate heterogenen Szenen für den 1DSH evaluiert. Anschließend wird ein weiteres SH-Konzept vorgestellt, das auf optischen Wellenleitern basiert. Im Kontext der bevorstehenden \ce{CO2} Monitoring Mission (CO2M) wird ein Spaltkonzept auf der Basis von rechteckigen optischen Fasern untersucht. Dieses Konzept mischt die Heterogenität der Szene sowohl entlang der Flugrichtung des Satelliten als auch senkrecht dazu und wird daher als 2D-Slit Homogenizer (2DSH) bezeichnet. Insbesondere wird der Einfluss von Länge und Anordnung der Fasern auf die Homogenisierung der Szenen untersucht. Es wird eine spezielle Krümmung der Fasern vorgeschlagen, um das Fernfeld nach der Faser zu homogenisieren, was die spektrale Pulsantwort des Instruments weiter stabilisiert. Das Ersetzen eines klassischen Spalts durch einen 2DSH führt zu weiteren Konsequenzen für das Instrument, wie z.B. veränderte Signal-Rausch-Verhältnisse oder neue Methoden der co-Registrierung. Als letztes wird am Beispiel des 1DSH die Auswirkung der stabilisierten spektralen Leistung des Instruments auf die Genauigkeit der berechneten \ce{NO2} Säulen-konzentration im UV-VIS-Wellenlängenkanal untersucht. Zu diesem Zweck wird eine künstlich erzeugte heterogene Erdszene durch ein Modell des Sentinel-5/UVNS-Instruments propagiert. Die Instrumentenpropagation wurde für ein mit SH ausgestattetes Instrument und ein Instrument mit einem klassischen Spalt durchgeführt. Die aus der heterogenen Szene resultierende Abweichung der berechneten Säulenkonzentration von der tatsächlichen Säulenkonzentration wird für beide Fälle verglichen. Das Ergebnis der verbesserten Übereinstimmung zwischen berechneter und tatsächlicher Säulenkonzentration für ein Instrument mit SH unterstreicht die Vorteile der Verwendung eines SH in weltraumgestützten abbildenden Spektrometern.