Radiometric disturbances assessment and performances improvement strategies for the FORUM sounding instrument

The Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring (FORUM) mission is ESA’s 9th Earth Explorer, designed to provide the first comprehensive characterization of the Earth’s outgoing thermal radiation in the far-infrared spectral region. This ambitious objective demands a measurement approach capable of acquiring highly accurate and spectrally resolved broadband data. To satisfy these demanding requirements, an interferometer based on Fourier-Transform Spectroscopy (FTS) has been designed. FTS instruments are sensitive to several disturbance sources, particularly speed fluctuations and detector noise. It is essential to assess and quantify the impact of these disturbances on instrument performances, to validate the instrument design or alternatively investigate improvement strategies. Through numerical simulation and the use of experimental data sets, the robustness of the FORUM payload against such disturbances is addressed. The impact of detector noise on the total noise budget has been quantified, and improvement strategies are investigated to enhance performance and mitigate this disturbance. Furthermore, signal processing strategies are explored to account for detector noise and improve data quality in post-processing. The effect of speed fluctuations is quantified in relation to the knowledge accuracy of the detector’s transfer function, demonstrating the existing correlation and the robustness of the design, provided that the transfer function is accurately characterized. Experimental speed fluctuation measurements are employed to quantify, in a representative manner, the correlation between speed instabilities and radiometric errors. This research demonstrates that the detector noise plays a dominant role in instrument data quality, while speed fluctuation effects are efficiently counterbalanced by the FORUM instrument design, constituting a minor disturbance source. Overall, the design of the FORUM instrument is proven to be robust, confirming that the ambitious research objectives of the mission are within the reach of the instrument’s capabilities.

La missione FORUM, acronimo di Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring, rappresenta il 9° Earth Explorer dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ed è finalizzata a caratterizzare per la prima volta le emissioni terrestri nell’infrarosso. Il raggiungimento di questo obbiettivo richiede un approccio di misura in grado di acquisire dati a banda larga nell’infrarosso, ad elevata accuratezza e risoluzione spettrale. Per soddisfare tali requisiti, un interferometro basato sulla spettroscopia a trasformata di Fourier (FTS) è stato progettato. Gli strumenti FTS sono sensibili a diversi fattori di disturbo, in particolare a fluttuazioni di velocità dell’interferometro e al rumore elettrico dei sensori. È pertanto essenziale valutare e quantificare l’impatto di tali disturbi sulle prestazioni dello strumento, al fine di validare il design ed eventualmente identificare strategie di miglioramento. Attraverso simulazioni numeriche e l’utilizzo di dati sperimentali, la robustezza del design dello strumento FORUM rispetto a tali disturbi è analizzata. L’impatto del rumore elettrico del sensore sul budget totale di rumore è stato quantificato e sono state investigate strategie di miglioramento volte a mitigare questa fonte di disturbo. Inoltre, sono state esplorate tecniche di elaborazione del segnale per migliorare la qualità dei dati in fase di post-processing. L’effetto delle fluttuazioni di velocità è stato quantificato in relazione alla accuratezza di caraterrizzazione della funzione di trasferimento del sensore, evidenziando la correlazione tra i due e la robustezza del design. Misure sperimentali delle fluttuazioni sono state utilizzate per quantificare in modo rappresentativo la correlazione tra ampiezza della fluttuazione ed errori. Questa ricerca dimostra che il rumore del sensore rappresenta il fattore dominante sulla qualità dei dati acquisiti, mentre gli effetti delle fluttuazioni di velocità risultano efficacemente compensati dal design dello strumento, rappresentando una fonte di disturbo marginale. Nel complesso, il design dell’interferometro sviluppato per FORUM si dimostra robusto, confermando che gli ambiziosi obiettivi scientifici della missione sono compatibili con le correnti capacità dello strumento.