FY-2E掃描輻射計(jì)云圖受月球干擾的影響

陳博洋 馮小虎

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

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FY-2E掃描輻射計(jì)云圖受月球干擾的影響

陳博洋*馮小虎

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

針對2012年3—12月FY-2E氣象衛(wèi)星云圖出現(xiàn)4次明顯的白色亮帶異常狀況，分析4個紅外通道白色亮帶出現(xiàn)的原因和影響機(jī)理。根據(jù)異常白色亮帶出現(xiàn)的時間、亮帶區(qū)域內(nèi)的內(nèi)容及亮帶過后數(shù)據(jù)序列的特點(diǎn)，確定是月球出現(xiàn)在衛(wèi)星視場外左側(cè)臨近區(qū)域引起的異常情況。以FY-2E氣象衛(wèi)星觀測模式分析月球干擾云圖的機(jī)理和過程，月球通過直流恢復(fù)導(dǎo)致云圖中出現(xiàn)白色亮帶，基于FY-2E氣象衛(wèi)星工作參數(shù)定量計(jì)算月球干擾云圖的準(zhǔn)確時間，確認(rèn)在2012年3月—2013年1月FY-2E氣象衛(wèi)星共有12次受到月球干擾，而業(yè)務(wù)系統(tǒng)僅發(fā)現(xiàn)4次。根據(jù)異常數(shù)據(jù)分析干擾時間的計(jì)算精度，確認(rèn)衛(wèi)星的電子學(xué)隨機(jī)誤差和月球天平動是引起計(jì)算精度的重要原因。重新發(fā)現(xiàn)的異常云圖顯示了對月球干擾現(xiàn)象分析的合理性以及對干擾事件過程的計(jì)算準(zhǔn)確性，有助于數(shù)據(jù)用戶對FY-2E氣象衛(wèi)星云圖的準(zhǔn)確認(rèn)識與應(yīng)用。

靜止氣象衛(wèi)星； 直流恢復(fù)； 月球天平動

引 言

對地遙感衛(wèi)星用于從太空中觀測地球目標(biāo)，幫助人類獲取更多有效信息，由于工作環(huán)境惡劣等因素，遙感衛(wèi)星圖像中常常出現(xiàn)很多異常狀況，且異常狀況具有多樣性、獨(dú)特性的特點(diǎn)，因此，處理難度很大，引起的數(shù)據(jù)異常影響廣泛。

FY-2系列靜止氣象衛(wèi)星是我國唯一在軌長期業(yè)務(wù)運(yùn)行的靜止軌道成像衛(wèi)星，業(yè)務(wù)運(yùn)行期間出現(xiàn)了很多異常狀況，一般分為宇宙環(huán)境及自身引起的設(shè)備狀態(tài)異常和特殊目標(biāo)引起的觀測異常兩類。趙現(xiàn)綱等[1]對宇宙環(huán)境引起的設(shè)備狀態(tài)異常進(jìn)行了分析，總結(jié)了宇宙環(huán)境引起衛(wèi)星狀態(tài)異常的規(guī)律，但特殊目標(biāo)引起的異常極其特殊以致沒有合適的算法進(jìn)行處理，如次鏡支撐桿黑影等。

FY-2E氣象衛(wèi)星云圖中出現(xiàn)異常白色亮帶，韓琦等[2]對這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析，月球是引起這種現(xiàn)象的原因，但只是根據(jù)月球位置說明了事件發(fā)生的合理性，文中未見對月球干擾事件發(fā)生的時間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，對計(jì)算精度也未見評估。本文不僅對這種異?，F(xiàn)象的原理進(jìn)行分析，進(jìn)一步計(jì)算了干擾事件發(fā)生的準(zhǔn)確時間和位置，并根據(jù)月球自身的物理特性和FY-2E氣象衛(wèi)星工作參數(shù)評估了時間和位置計(jì)算的精度，指出月相和FY-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)脈沖的抖動是影響計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。

1 FY-2E氣象衛(wèi)星云圖受月球干擾現(xiàn)象及分析

2012年3月7日FY-2E氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)值守人員發(fā)現(xiàn)03：00(世界時，下同)的紅外衛(wèi)星云圖第400行位置出現(xiàn)了一條明顯的水平白色亮帶，圖1是4個紅外通道的云圖，圖中亮帶寬度約為50行，這一異?，F(xiàn)象在4個紅外通道相同位置同時出現(xiàn)，極大影響了FY-2E氣象衛(wèi)星紅外云圖質(zhì)量，給云圖數(shù)據(jù)用戶造成了極大不便。且這一現(xiàn)象在2012年6月24日20：00,2012年10月25日00：00和2012年12月5日09：00重復(fù)出現(xiàn)，且每次在云圖中出現(xiàn)的位置不一樣，多次給云圖數(shù)據(jù)用戶造成不便。

圖1 2012年3月7日03:00 FY-2E氣象衛(wèi)星云圖異常亮帶(a)紅外通道1，(b)紅外通道2，(c)水汽通道，(d)紅外通道3Fig.1 White exceptional band in full disk images at 0300 UTC 7 Mar 2012(a)IR1，(b)IR2，(c)WV，(d)IR3

針對影響云圖應(yīng)用的異?，F(xiàn)象展開分析，觀察白色亮帶的特點(diǎn)：在FY-2E紅外云圖中的水平方向的亮帶是地理東西方向，亮帶寬度約50個像元左右,白色亮帶在4個紅外通道的相同位置同時出現(xiàn)；從亮帶區(qū)域的紋理和正常區(qū)域的紋理的平滑連接特性看，亮帶區(qū)域內(nèi)是正確的觀測目標(biāo)，只是由于某種原因?qū)е履繕?biāo)計(jì)數(shù)值發(fā)生了變化；從亮帶過后的情況看，亮帶過后FY-2E氣象衛(wèi)星恢復(fù)了正常工作，云圖質(zhì)量與出現(xiàn)亮帶前完全一致。

從白色亮帶特點(diǎn)分析，不是衛(wèi)星發(fā)生了故障導(dǎo)致的云圖異常，而是由于某種意料之外的原因影響觀測才引起的現(xiàn)象。從亮帶的獨(dú)立性與亮帶過后云圖質(zhì)量分析，衛(wèi)星質(zhì)量仍正常穩(wěn)定。在確認(rèn)某種原因引起現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析引起云圖50個像元寬度異常的目標(biāo)，以及亮帶是正常目標(biāo)的能量被減小的現(xiàn)象看，初步確定是月球出現(xiàn)在FY-2E氣象衛(wèi)星視場外左側(cè)區(qū)域引起的過度去噪導(dǎo)致地球上出現(xiàn)了一條亮帶：月球在FY-2E氣象衛(wèi)星視場內(nèi)的大小為50個像元左右，過度去噪降低了目標(biāo)的計(jì)數(shù)值(FY-2系列氣象衛(wèi)星紅外通道圖像采用反相體制，因此，降低了目標(biāo)計(jì)數(shù)值在云圖上表現(xiàn)是目標(biāo)變亮)。

分析月球引起的過度去噪導(dǎo)致云圖出現(xiàn)的亮帶，首先要準(zhǔn)確理解FY-2E掃描輻射計(jì)云圖實(shí)現(xiàn)去噪的方案直流恢復(fù)，即在正常目標(biāo)觀測前測量不隨時間變化的儀器自身輻射噪聲、觀測正常目標(biāo)后通過減法消除噪聲的過程。

1.1 直流恢復(fù)的意義

物體的紅外波段輻射主要是由分子、原子的振動轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的，所以任何高于絕對零度的物體均會有紅外波段輻射發(fā)出[3]，紅外波段光學(xué)遙感儀器的目的是接收觀測目標(biāo)的紅外波段輻射能量[4]。儀器自身也會發(fā)出紅外波段輻射[5]，這些輻射能量一樣可以被紅外探測器接收，但這些能量不來自于目標(biāo)，是對目標(biāo)能量的干擾：儀器光學(xué)組件溫度越高，輻射就越大，干擾也越大[6]，F(xiàn)Y-2E掃描輻射計(jì)紅外波段自身輻射疊加在正常目標(biāo)進(jìn)入遙感儀器的輻射能量上，引起探測器接收能量的誤差[7]，視之為觀測噪聲，F(xiàn)Y-2E氣象衛(wèi)星采用直流恢復(fù)方式進(jìn)行降噪。

1.2 FY-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)過程

消除儀器自身輻射的條件是準(zhǔn)確知道儀器自身輻射的大小，F(xiàn)Y-2E氣象衛(wèi)星在每一行地球觀測之前都有一個直流恢復(fù)區(qū)，直流恢復(fù)區(qū)的目標(biāo)是平均溫度2.75 K的宇宙冷空間[8]，2.75 K的目標(biāo)對FY-2E氣象衛(wèi)星紅外通道是“全黑”的[9]，不會引起儀器的響應(yīng)，此時儀器的輸出完全是儀器自身輻射引起的響應(yīng)：設(shè)直流恢復(fù)期間觀測冷空間目標(biāo)的輸出信號為Vb；若進(jìn)行地球成像時獲取的信號為Vearth，那么圖像信號Vs大小是Vearth與Vb的差值，這是FY-2系列氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)方法[10]。

2 月球影響FY-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)精度

基于前述FY-2E系列氣象衛(wèi)星定位模型分析，F(xiàn)Y-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)受月球干擾已經(jīng)可以計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在1年里共發(fā)生12次干擾事件，其中業(yè)務(wù)系統(tǒng)只發(fā)現(xiàn)4次，但發(fā)生4次虛報事件，根據(jù)月球影響FY-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)的原理，從FY-2E掃描輻射計(jì)性能和月球目標(biāo)自身的變化兩方面進(jìn)一步分析虛報的原因。

2.1 直流恢復(fù)抖動對計(jì)算精度的影響

FY-2E氣象衛(wèi)星在軌運(yùn)行時每一行掃描線都以精太陽敏感器為準(zhǔn)，通過天體運(yùn)動精確計(jì)算已知太陽脈沖出現(xiàn)的位置與地心的相對位置ΔL[11]，通過ΔL能確定衛(wèi)星觀測視場[12]，直流恢復(fù)區(qū)域精度為±0.5°，直流恢復(fù)脈沖寬度精度為±0.9°，所以信號位置誤差約±1.4°，而月球在FY-2E氣象衛(wèi)星視場內(nèi)的張角只有±0.5°[13]，相當(dāng)于月球會由于誤差移出直流恢復(fù)區(qū)域，進(jìn)而影響計(jì)算精度。直流恢復(fù)區(qū)域抖動以及直流恢復(fù)區(qū)域脈沖寬度的誤差是不可避免的隨機(jī)誤差，是固有的不確定性。

2.2 月相對計(jì)算精度的影響

月相表示太陽-月球-觀測者之間的夾角[14]，月球沒有大氣，所以月表溫度變化迅速，低溫接近零下-200℃、高溫超過100℃[15]，不同月相處的月球目標(biāo)對儀器觀測的影響差別很大。不同月相條件的月球即使是相同的月心位置，能夠引起儀器響應(yīng)的區(qū)域也不同，如圖2所示，不同月相導(dǎo)致月球“可視”區(qū)域的差別。

從以上對輻射計(jì)直流恢復(fù)抖動和月相的分析可以看出，4次虛報事件是有原因的,其中輻射計(jì)直流恢復(fù)抖動是完全不可預(yù)知的偶然現(xiàn)象，因此,其固有的預(yù)測誤差不可避免[16]。月相變化可以通過觀測時間及衛(wèi)星軌道進(jìn)行計(jì)算[17]，后續(xù)可根據(jù)大量月球事件統(tǒng)計(jì)分析月相變化導(dǎo)致的月球能量區(qū)差異。

圖2 月相對可視區(qū)域的影響(a)大角度月相，(b)小角度月相Fig.2 The visible based on large angle phase(a) and small angle phase(b)

3 月球干擾事件計(jì)算檢驗(yàn)

基于對FY-2E氣象衛(wèi)星直流恢復(fù)情況的分析和月球軌道的計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算和實(shí)際數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，2012年3月—2013年1月，共發(fā)生12次月球干擾事件，圖3是12次干擾事件的紅外圖像(10.5～11.5 μm)，其中第2張和第7張圓盤圖很淺的白色亮帶以及第9張圓盤圖出現(xiàn)在最下邊位置的白色亮帶，由人眼幾乎無法判斷發(fā)生了干擾事件，完全依靠預(yù)報，實(shí)際業(yè)務(wù)中只發(fā)現(xiàn)了12次異常事件中的4次。事實(shí)證明，直流恢復(fù)受月球干擾預(yù)報的有效性與準(zhǔn)確性，軟件可以業(yè)務(wù)化作為FY-2氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行異常事件預(yù)報與分析程序。

圖3 2012年3月—2013年1月FY-2E掃描輻射計(jì)云圖受月球干擾的影響Fig.3 Disturbances of the moon to FY-2E full disk images from Mar 2012 to Jan 2013

續(xù)圖3

4 結(jié) 論

以FY-2E氣象衛(wèi)星觀測模式和工作參數(shù)為基礎(chǔ)，針對FY-2E氣象衛(wèi)星紅外云圖中出現(xiàn)的白色亮帶異常情況展開研究，得到如下結(jié)論：

1) FY-2E掃描輻射計(jì)紅外云圖受月球干擾是月球?qū)е聝x器自身噪聲估計(jì)值提高，進(jìn)而使云圖去噪過度，降低了地球圓盤觀測區(qū)域正常目標(biāo)的能量。

2) 根據(jù)建立的可視位置計(jì)算模型計(jì)算，2012年2月—2013年1月FY-2E掃描輻射計(jì)云圖共發(fā)生12次月球干擾事件。

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Disturbance of Moon to FY-2E Full Disk Images

Chen Boyang Feng Xiaohu

(NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081)

There are obvious white exceptional bands in all 4 infrared (IR) full disk images of FY-2E, which have adverse effects on using images. By analyzing the time when exceptional band appears, the fact that bands in different IR images are in the same place, the matter in the white band, and the fact that the full disk images are all right after exceptional band, it’s concluded that the satellite is all right but the moon’s disturbing is the cause why exceptional band appears. Based on the FY-2E characteristics, it’s identified that the process of moon leads to the white band in the image via direct-current restoration of FY-2E. Using satellite orbit parameters, the moon orbit and libration data, it can be confirmed the stochastic error in the circuit and libration are two important causes for the uncertainty in calculation. However, only 4 times are found during operation period from Mar 2012 to Jan 2013 though it seems to be 12 times according to the calculation. Both the analysis and the calculation are useful in practice for better using of FY-2E satellite.

geosynchronous meteorological satellite; direct-current restoration; lunar libration

10.11898/1001-7313.20150312

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41375023)

陳博洋,馮小虎. FY-2E掃描輻射計(jì)云圖受月球干擾的影響. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26(3)：364-368.

2014-09-23收到， 2015-02-16收到再改稿。

* email: chenby@cma.cma.gov.cn