Characterization and correction of stray light for Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS)

Abstract

2019년 발사 예정인 우리나라 차세대 정지궤도 위성 GEO-KOMPSAT-2B에 탑재되는 Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS)는 고해상도 초분광영상기로 자외선-가시영역(300–500nm) 파장대를 0.2nm 간격으로 관측하여 에어로졸, O3, NO2, SO2 및 HCHO와 같은 대기오염물질이나 미세먼지를 상시 관측·감시하는 임무를 수행할 계획이다. 기기 내에서 부적절하게 산란되어 발생하는 미광은 측정 정밀도를 저하시키는 주요 원인이므로, GEMS의 효율적 활용을 위한 원시 자료의 정확도 확보를 위해 반드시 보정 되어야 한다. 미광은 측정기기의 반응 정보를 나타내는 Point Spread Function (PSF)를 이용해 예측하여 보정 할 수 있다. 관측 값이 실제로는 이상적으로 예상되는 복사 값과 미광으로 인한 복사 값의 합이라는 기본적인 특성을 기반으로, PSF 정보를 바탕으로 얻은 미광 분포 매트릭스를 이용하여 보정하는 행렬 기반 방법을 이용한다. 그러나 고해상도 다중 채널 초분광영상기인 GEMS에 위 방법 적용 시 보정 행렬 요소의 수로 인한 계산 문제가 존재하여, GEMS 특성을 나타내는 픽셀 수로 binning하여 보정하는 알고리즘을 개발하였다. 본 연구에서는 지상에서 측정된 PSF를 이용하여 GEMS 태양복사조도 및 지구복사휘도에서의 미광 정도를 모의하여 분석하였고, 지구복사휘도의 경우 장파장의 복사 값이 단파장의 미광 값에 큰 영향을 끼치는 High frequency effect가 존재함을 확인 하였다. 개발된 미광 보정 알고리즘을 적용함으로 모의된 잔여 미광은300 nm에서 GEMS 태양 복사조도의 경우 6%에서 0.4%로, GEMS 지구복사휘도의 경우 420% 에서 56%로 감소하였다.;Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS), onboard the Geo-KOMPSAT-2B will be launched in 2019, is a geostationary scanning UV-Vis hyperspectral spectrometer designed to monitor trans-boundary pollution events such as aerosol, O3, NO2, SO2 and HCHO for the Korean peninsula and the Asia-Pacific region. Stray light caused by scattering of the optic components in spectrometer is often the major source of degradation of measurement accuracy. It must be corrected to ensure the accuracy of raw data. Stray light can be predicted and corrected using Point Spread Function (PSF) which describes the system response of the point source. Based on the basic property that the observed radiation is the sum of the ideal radiation and the radiation due to stray light, a matrix multiplication method is used to correct stray light by using the stray light distribution matrix obtained from the PSF information. However, there is a calculation problem due to the number of correction matrix elements when applying the matrix multiplication method to the GEMS which is a hyperspectral spectrometer and provides high spectral and spatial resolution. We have developed the Matrix multiplication binning stray light correction to meet time constraint and memory requirement. In this study, we simulate the instrument level of stray light in GEMS solar irradiance and earth radiance using PSF and analyze the amount. In the case of earth radiance, there is a high frequency effect that the radiation of long wavelength has a great influence on radiation of short wavelength stray light. The simulated residual stray light decreased from 6% to 0.4% at GEMS solar irradiance and from 420% to 56% at GEMS earth radiance by applying the binning stray light correction algorithm.