FY-4衛(wèi)星閃電成像儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 華，鮑書龍，陳 強(qiáng)，趙學(xué)敏，李云飛

(1.北京空間機(jī)電研究所,北京 100076； 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

FY-4衛(wèi)星閃電成像儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 華1，鮑書龍1，陳 強(qiáng)2，趙學(xué)敏1，李云飛1

(1.北京空間機(jī)電研究所,北京 100076； 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

介紹了我國(guó)第一臺(tái)探測(cè)閃電的空間光學(xué)遙感儀器——風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星裝載的閃電成像儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。給出了空間光學(xué)閃電探測(cè)原理。FY-4A星閃電成像儀采用小F數(shù)透射光學(xué)系統(tǒng)，用雙鏡頭拼接實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)覆蓋；采用高穩(wěn)定度超窄帶多腔干涉濾光片實(shí)現(xiàn)閃電信號(hào)濾波，以高速多抽頭大光敏元CCD器件為敏感元件獲取閃電與背景圖像，由實(shí)時(shí)事件處理器在積分時(shí)間內(nèi)按像元完成焦面數(shù)據(jù)的多幀背景評(píng)估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼；采用與閃電事件一致的視場(chǎng)分辨率進(jìn)行空間濾波，降低云層、陸地和海洋等背景信號(hào)對(duì)閃電信號(hào)的影響。研制的閃電成像儀由閃電成像儀主體、閃電信息處理盒、閃電管理與溫控盒和閃電配電盒組成，設(shè)計(jì)了閃電探測(cè)、地標(biāo)觀測(cè)和FPGA程序上注三種工作模式。FY-4A星閃電成像儀研制中突破了閃電成像儀分系統(tǒng)總體、超窄帶濾光片應(yīng)用、高幀率CCD器件、實(shí)時(shí)事件處理器，以及閃電成像儀實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)。閃電成像儀的指標(biāo)與國(guó)際同類儀器相當(dāng)。至目前為此在軌測(cè)試表明：該閃電成像儀能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同強(qiáng)度閃電事件實(shí)時(shí)探測(cè)，具備對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程完整監(jiān)測(cè)和跟蹤能力。展望了后續(xù)我國(guó)閃電成像儀技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求。

FY-4衛(wèi)星； 閃電探測(cè)； 靜止軌道閃電成像儀； 實(shí)時(shí)事件處理器； 閃電事件； 光譜濾波； 空間濾波

0 引言

閃電與產(chǎn)生強(qiáng)降雨的雷暴氣象現(xiàn)象有密切聯(lián)系，通過(guò)觀測(cè)閃電，可對(duì)雷雨的分布、變化、定位，以及規(guī)模大小的確定等有極大的幫助。在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)對(duì)地的閃電觀察，具有覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率高、閃電探測(cè)概率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的閃電探測(cè)方式。在閃電現(xiàn)象的研究與探測(cè)領(lǐng)域，美國(guó)起步最早，研究的深度和廣度處于世界領(lǐng)先地位，而其它在閃電研究中投入較多的有日本和歐洲國(guó)家等。

從20世紀(jì)50年代起，人類開(kāi)始了在閃電上端對(duì)閃電的光學(xué)觀察。衛(wèi)星是獲得全球閃電觀察的理想平臺(tái)，1994年美國(guó)發(fā)射了第二代空間閃電光學(xué)探測(cè)設(shè)備(OTD)，這是一個(gè)專門為閃電觀測(cè)研制的設(shè)備。1997年發(fā)射的TRMM衛(wèi)星攜帶的LIS是在OTD的基礎(chǔ)上改進(jìn)的更先進(jìn)閃電探測(cè)儀器[1-5]。OTD，LIS均屬于低軌衛(wèi)星載荷，OTD于2000年退役，LIS目前在軌正常工作。NASA原計(jì)劃在2003年發(fā)射的GOES-O靜止軌道氣象衛(wèi)星上搭載閃電探測(cè)儀(LMS)，以實(shí)現(xiàn)靜止軌道閃電探測(cè)的高時(shí)間分辨率和高探測(cè)效率，因研制計(jì)劃發(fā)生變化，LMS調(diào)整為下一代的靜止軌道GOES-R衛(wèi)星上的GLM(Geostationary Lightning Mapper)，已于2016年11月發(fā)射，目前在軌工作正常。同期歐洲正在研制第三代靜止軌道地球觀測(cè)衛(wèi)星(MTG)上的閃電成像儀(LI)[6]。LI是歐洲的第一顆靜止軌道閃電探測(cè)的光學(xué)載荷，也是歐洲的第一個(gè)閃電探測(cè)的光學(xué)載荷，預(yù)計(jì)2017年下半年發(fā)射。FY-4A星閃電成像儀是我國(guó)研制的第一個(gè)靜止軌道閃電探測(cè)的光學(xué)載荷(也是第一個(gè)閃電探測(cè)的光學(xué)載荷)，是與美國(guó)、歐洲同步研制的3個(gè)靜止軌道光學(xué)探測(cè)閃電類載荷之一，已于2016年12月11日發(fā)射，目前在軌工作正常。除視場(chǎng)覆蓋區(qū)為中國(guó)及周邊區(qū)域外，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀的其他指標(biāo)與歐洲MTG的LI和美國(guó)GOESR的GLM基本一致[7]。

OTD，LIS是極軌衛(wèi)星的閃電光學(xué)探測(cè)載荷，其觀測(cè)范圍極其有限，LIS對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)同一地點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間僅91 s，探測(cè)到的閃電是該地區(qū)全年閃電中的極小部分，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地區(qū)閃電的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跟蹤和預(yù)警。靜止軌道閃電光學(xué)探測(cè)采用凝視的方式實(shí)現(xiàn)同一地區(qū)閃電的連續(xù)、實(shí)時(shí)探測(cè)，是閃電探測(cè)最有效的手段[8]。FY-4A星閃電成像儀是FY-4衛(wèi)星的主要有效載荷之一，可為中國(guó)大陸及其周邊地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象觀察、預(yù)報(bào)和研究提供必需的科學(xué)數(shù)據(jù)。由于重大軍事行動(dòng)等與閃電等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象有密切的關(guān)系，通過(guò)對(duì)閃電現(xiàn)象的實(shí)時(shí)觀察、閃電預(yù)報(bào)，可為重大軍事行動(dòng)提供參考。FY-4衛(wèi)星閃電成像儀的任務(wù)是在地球靜止軌道對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象實(shí)時(shí)觀察，可為閃電預(yù)報(bào)和全球氣候變化研究提供依據(jù)，為中國(guó)大陸及其周邊地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象觀察、預(yù)報(bào)和研究提供必需的科學(xué)數(shù)據(jù)，為全球大氣循環(huán)等研究提供科學(xué)依據(jù)。功能要求有實(shí)現(xiàn)閃電成像觀測(cè)，獲取觀測(cè)覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的閃電分布圖；通過(guò)對(duì)閃電進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警。本文對(duì)FY-4衛(wèi)星閃電成像儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 閃電探測(cè)原理與分析

閃電產(chǎn)生于強(qiáng)對(duì)流云或?qū)α髟葡?。?dāng)溫暖、潮濕的空氣通過(guò)云層時(shí)，形成雨滴和冰，冰的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致摩擦起電。電能的驟然釋放產(chǎn)生閃電，所釋放的電能快速加熱閃電通道周圍的氣體產(chǎn)生沖擊波和電磁輻射。沖擊波迅速衰變?yōu)槁暡?，即雷聲。電磁輻射的范圍從超低頻無(wú)線電波至X射線，最強(qiáng)的輻射區(qū)之一集中在光學(xué)波長(zhǎng)內(nèi)，峰值功率可達(dá)100～1 000 MW。對(duì)流云和積雨云中發(fā)生的這種雷電交加的激烈放電現(xiàn)象稱為雷暴，閃電已成為這種災(zāi)害性天氣的“示蹤器”。雷暴發(fā)生時(shí)，強(qiáng)大的電能量瞬間釋放將閃電通道周圍氣體迅速加熱，產(chǎn)生高溫高壓(電子溫度>20 000 K)，從而導(dǎo)致大氣氣體離解、激勵(lì)和復(fù)合，以致其光學(xué)輻射主要以離散的原子譜線出現(xiàn)，在較短的波長(zhǎng)處才具有一些連續(xù)光譜。NASA U-2飛機(jī)的測(cè)量證明，在云頂光學(xué)光譜中最強(qiáng)的輻射特征產(chǎn)生于近紅外區(qū)的中性氧和中性氮的光譜線，即777.4 nm處的OI(1)譜線和868.3 nm處的NI(1)譜線，該處光譜輻射始終具有最強(qiáng)輻射特征[9]。NASA U-2飛機(jī)探測(cè)的閃電光譜如圖1所示。閃電的OIII的三條特征譜線如圖2所示。

圖1 NASA U-2飛機(jī)探測(cè)的閃電光譜Fig.1 Lightning spectrum detected by U-2 plane of NASA

圖2 閃電的OIII的三條特征譜線細(xì)節(jié)Fig.2 Three characteristic spectrum lines of lightning OIII

因國(guó)內(nèi)尚無(wú)空間觀測(cè)的閃電光譜數(shù)據(jù)，也沒(méi)有地面閃電觀測(cè)的光譜數(shù)據(jù)，為獲取閃電目標(biāo)的光譜特性，基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)與測(cè)試條件，采用地基的人工模擬閃電光譜探測(cè)、真實(shí)閃電光譜探測(cè)。歐美的相關(guān)研究表明：云閃和地閃的光譜特征差異較小，可認(rèn)為地面測(cè)得的云對(duì)地閃電與云頂?shù)拈W電光譜基本一致。因此，由地基閃電光譜探測(cè)試驗(yàn)?zāi)苡行Т_定閃電探測(cè)的光譜選擇。

2012年4～5月進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室人工模擬閃電光譜探測(cè)，成功采集到完整閃電光譜2次。2013年7～8月在廣東陽(yáng)江、上海、北京等三地進(jìn)行自然閃電光譜探測(cè)，在陽(yáng)江獲取閃電光譜3次，在上海獲取閃電光譜2次。分別選擇陽(yáng)江外場(chǎng)閃電光譜、上海閃電光譜與實(shí)驗(yàn)室模擬閃電觀測(cè)光譜進(jìn)行疊加對(duì)比，并與美國(guó)公布的閃電光譜特征譜線峰值位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 閃電光譜探測(cè)結(jié)果比對(duì)分析Fig.3 Different lightning detection results

由圖3可知：實(shí)驗(yàn)室模擬閃電光譜、自然閃電光譜及與美國(guó)公布資料一致，閃電光譜最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在777 nm附近，多次獲取的閃電光譜主要特征峰一致性較好。分析發(fā)現(xiàn)，采用中心波長(zhǎng)777.4 nm、帶寬1 nm的濾光片，能使閃電信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)太陽(yáng)光的云層反射強(qiáng)度比增強(qiáng)至1∶150。

靜止軌道上閃電探測(cè)是從云上對(duì)閃電進(jìn)行探測(cè)，關(guān)注的是閃電信號(hào)云上的光學(xué)特性。白天，閃電信號(hào)常被云層、陸地、海洋和綠色植被的強(qiáng)反射陽(yáng)光背景噪聲掩蓋，致使白天探測(cè)閃電信號(hào)極為困難，唯一的方法是對(duì)亮背景中的閃電信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)與極值化處理。可利用閃電信號(hào)與背景噪聲的時(shí)間、空間和光譜特性存在的較大差異，采用光譜濾波、空間濾波、時(shí)間濾波、幀-幀背景去除等方法的組合實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)多點(diǎn)源目標(biāo)閃電信號(hào)的增強(qiáng)與探測(cè)[10]。

目前，國(guó)際上的閃電探測(cè)儀器包括美國(guó)低軌的LIS與OTD，靜止軌道的GLM，歐洲的靜止軌道LI，以及中國(guó)的靜止軌道閃電成像儀，閃電探測(cè)的原理基本一致，如圖4所示。

圖4 空間光學(xué)閃電探測(cè)原理Fig.4 Detection principle of spatial optical lightning

2 閃電成像儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1技術(shù)途徑

基于閃電探測(cè)原理，根據(jù)閃電成像儀的任務(wù)需求及各部組件的研制能力，確定了閃電成像儀的技術(shù)參數(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑。

閃電成像儀采用小F數(shù)透射光學(xué)系統(tǒng)，用雙鏡頭拼接實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)覆蓋；采用高穩(wěn)定度超窄帶多腔干涉濾光片實(shí)現(xiàn)閃電信號(hào)濾波，以高速多抽頭大光敏元CCD器件為敏感元件獲取閃電與背景圖像，由實(shí)時(shí)事件處理器在2 ms內(nèi)按像元完成焦面數(shù)據(jù)的多幀背景評(píng)估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼，每幀輸出閃電事件120個(gè)(不足補(bǔ)0)。針對(duì)閃電事件的大小，采用與閃電事件一致的視場(chǎng)分辨率(星下點(diǎn)分辨率7.8 km)進(jìn)行空間濾波，降低云層、陸地和海洋等背景信號(hào)對(duì)閃電信號(hào)的影響。

2.2閃電成像儀組成

閃電成像儀主要由閃電成像儀主體、閃電信息處理盒、閃電管理與溫控盒，以及閃電配電盒4部分組成，如圖5所示。其中：閃電成像儀主體完成入射信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換和模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；閃電信息處理盒實(shí)現(xiàn)閃電幀幀背景去除和閃電探測(cè)提取的算法；閃電管理與溫控盒實(shí)現(xiàn)相機(jī)的測(cè)控管理和溫控功能；閃電配電盒實(shí)現(xiàn)二次電源配電功能。

閃電信息處理盒的關(guān)鍵電路是實(shí)時(shí)事件處理器(RTEP)，實(shí)現(xiàn)閃電探測(cè)算法，即接收焦面組件輸出的數(shù)字信號(hào)，完成多幀背景評(píng)估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼，從緩慢變化的背景中提取出閃電信號(hào)。探測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)由FPGA完成。由于閃電成像儀探測(cè)的是閃電事件，閃電事件探測(cè)為逐元進(jìn)行，針對(duì)像素i的信號(hào)處理如圖6所示。

研制的閃電成像儀如圖7所示。

2.3工作模式設(shè)置

根據(jù)在軌使用需求，閃電成像儀設(shè)置了閃電探測(cè)、地標(biāo)觀測(cè)和FPGA程序上注三種功能。針對(duì)3種功能要求，設(shè)計(jì)了閃電探測(cè)、地標(biāo)觀測(cè)和FPGA程序上注三種工作模式，分別對(duì)應(yīng)完成閃電成像儀的3種功能。

a)閃電探測(cè)

閃電成像儀以2 ms采樣間隔進(jìn)行閃電探測(cè)，并獲取背景圖像，將閃電信號(hào)和選取的區(qū)域背景信號(hào)共同編碼輸出。

b)地標(biāo)觀測(cè)

進(jìn)行不同積分時(shí)間[幀周期為2，4，8，10，20，40，80 ms中的一種，積分時(shí)間對(duì)應(yīng)為相應(yīng)幀周期減0.2 ms(可上注更改)]的地物成像，以便通過(guò)對(duì)地物目標(biāo)的識(shí)別進(jìn)行閃電成像儀光軸標(biāo)定。該模式下不進(jìn)行閃電探測(cè)，只傳輸原始背景信號(hào)。

c)FPGA程序上注

在確定需要對(duì)FPGA程序進(jìn)行更改時(shí)，閃電信息處理盒停止閃電探測(cè)或地標(biāo)觀測(cè)模式對(duì)信號(hào)的處理，分包接收地面上注的FPGA程序數(shù)據(jù)，進(jìn)行RTEP的FPGA重新配置。

圖5 閃電成像儀組成Fig.5 Composition of geostationary lightning imager

圖6 針對(duì)像素i的閃電信號(hào)探測(cè)處理流程Fig.6 Processing flowchart of pixel i for lightning signal

圖7 閃電成像儀實(shí)物Fig.7 Geostationary lightning imager

FY-4衛(wèi)星閃電成像儀是我國(guó)第一次研制的在靜止軌道探測(cè)瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)閃電信號(hào)的星載儀器，且由于我國(guó)在閃電的光學(xué)探測(cè)、高幀頻大動(dòng)態(tài)探測(cè)器、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定驗(yàn)證等領(lǐng)域的研究尚屬空白，該載荷研制難度較大。研制中的關(guān)鍵和新技術(shù)有閃電成像儀分系統(tǒng)總體、超窄帶濾光片應(yīng)用、高幀率CCD器件、實(shí)時(shí)事件處理器，以及閃電成像儀實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證。

2.4.1 超窄帶濾光片

窄帶濾光片是提取閃電特征信號(hào)的關(guān)鍵。窄帶濾光片要求中心波長(zhǎng)777.4 nm，帶寬1 nm，光譜透過(guò)率盡可能高，重點(diǎn)是保障空間環(huán)境中窄帶濾光片的長(zhǎng)期穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)閃電成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超窄帶濾光片仿真分析、角漂影響分析、極限溫度分析、可靠性試驗(yàn)等，對(duì)超窄帶濾光片技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)的合理性進(jìn)行綜合分析，突破了高穩(wěn)定度超窄帶濾光片的溫控、測(cè)試等技術(shù)。在大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片使用前，進(jìn)行了可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和控制保障等工作，在不同溫度、氣壓等環(huán)境中對(duì)帶寬、中心波長(zhǎng)漂移等性能進(jìn)行測(cè)試，獲得了準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)，為軌道環(huán)境中大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的應(yīng)用數(shù)據(jù)，使大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片的環(huán)境控制更準(zhǔn)確有效。

2.4.2 高幀率CCD器件

白天需在亮背景中進(jìn)行閃電探測(cè)且閃電信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)探測(cè)器的幀頻、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲水平、量子效率的要求較高，可直接決定閃電成像儀對(duì)閃電信號(hào)的探測(cè)能力及探測(cè)率。研制初期，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟產(chǎn)品，經(jīng)國(guó)內(nèi)廠家的技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化探測(cè)器輸出設(shè)計(jì)，增加抗?jié)u暈結(jié)構(gòu)，加大投片量，進(jìn)行在線優(yōu)化篩選，對(duì)獲得的器件進(jìn)行抗輻照、長(zhǎng)壽命等試驗(yàn)，研制了滿足閃電成像儀需求的探測(cè)器。

2.4.3 實(shí)時(shí)事件處理器

實(shí)時(shí)事件處理器是閃電成像儀的核心部件，實(shí)現(xiàn)背景評(píng)估與去除、閃電信號(hào)閾值確定、閃電信號(hào)識(shí)別、閃電信號(hào)編碼等，其性能直接決定了閃電信號(hào)能否獲得。多幀背景評(píng)估要求盡可能真實(shí)地還原出真實(shí)背景，盡可能降低閃電信號(hào)對(duì)背景信號(hào)的污染和背景評(píng)估值對(duì)閃電信號(hào)的污染，同時(shí)背景評(píng)估值還要能快速響應(yīng)背景的變化。閾值的設(shè)置直接關(guān)系閃電信號(hào)的提取，正確設(shè)置需隨背景變化而不斷改變的閾值，確保閃電事件的準(zhǔn)確提取。參考國(guó)外的資料，對(duì)閃電事件提取算法的各參數(shù)進(jìn)行研究分析，確定了評(píng)估算法，以及加權(quán)系數(shù)、使用幀數(shù)、閾值確定等關(guān)鍵參數(shù)，完成了探測(cè)算法的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查成果，京津冀土壤侵蝕面積50534km2，占土地總面積的24%。以水力侵蝕為主的面積45 573km2，主要分布在燕山山區(qū)、太行山山區(qū)；風(fēng)力侵蝕的面積4 961km2，主要分布在河北省壩上高原地區(qū)，見(jiàn)表1。

2.4.4 試驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證

標(biāo)定與驗(yàn)證包括系統(tǒng)性能的標(biāo)定、閃電探測(cè)率和虛警率的驗(yàn)證。難點(diǎn)是由于閃電發(fā)生的隨機(jī)性、地面觀察與在云層上方觀察的不一致，導(dǎo)致閃電成像儀的核心技術(shù)指標(biāo)不能由地面對(duì)閃電成像驗(yàn)證。針對(duì)亟需解決的技術(shù)難題和所需設(shè)備，通過(guò)比對(duì)分析國(guó)外相關(guān)資料，并結(jié)合國(guó)內(nèi)研究成果，形成實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證實(shí)施方案，研制了專門的閃電場(chǎng)景模擬和驗(yàn)證系統(tǒng)，有效進(jìn)行了FY-4衛(wèi)星閃電成像儀閃電探測(cè)性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，為相機(jī)交付和發(fā)射提供參考。

2.5國(guó)際對(duì)標(biāo)

閃電成像儀與國(guó)外同類儀器的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知：我國(guó)的靜止軌道瞬態(tài)閃電成像儀性能與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

3 在軌測(cè)試

FY-4A星發(fā)射后，按在軌測(cè)試細(xì)則和在軌測(cè)試大綱要求，開(kāi)展各種觀測(cè)模式、各項(xiàng)功能和性能的在軌測(cè)試。閃電成像儀閃電探測(cè)性能需在軌經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)周期的觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、比對(duì)等后進(jìn)行評(píng)價(jià)。在軌測(cè)試的部分初步成果和結(jié)論如下。

表1 閃電信號(hào)探測(cè)儀器性能參數(shù)

3.1地標(biāo)觀測(cè)模式成像結(jié)果

閃電成像儀在軌開(kāi)機(jī)后，切換到地標(biāo)觀測(cè)模式可獲得各種不同積分時(shí)間的成像圖。閃電成像儀積分時(shí)間分別為2，4 ms時(shí)FY-4A星調(diào)頭前閃電成像儀觀測(cè)的澳大利亞西海岸區(qū)域成像結(jié)果分別如圖8、9所示。其中：圖8、9的成像時(shí)間均為2016年12月19日 07：12～07：16(世界時(shí)(UTC))。2017年2月13日積分時(shí)間2 ms時(shí)24 h的成像結(jié)果如圖10所示。

圖8 閃電成像儀積分時(shí)間2 ms成像結(jié)果Fig.8 Imaging results of GLI with integral time 2 ms

由上述地標(biāo)成像結(jié)果可知：

a)白天地物和云層的圖像清晰、云層層次分明、動(dòng)態(tài)范圍大，海岸線等特征目標(biāo)可用于定位。

b)通過(guò)地標(biāo)成像模式參數(shù)調(diào)整改變圖像動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，白天積分時(shí)間2，4 ms合適；白天高亮云層在積分時(shí)間8 ms及以上時(shí)出現(xiàn)飽和；夜間積分時(shí)間2～80 ms均無(wú)有效響應(yīng)，觀測(cè)不到圖像。

圖9 閃電成像儀首次開(kāi)機(jī)積分時(shí)間4 ms成像結(jié)果Fig.9 First imaging results of GLI with integral time 4 ms

3.2閃電探測(cè)模式成像結(jié)果

2017年2月13日09：35～15：34(UTC)澳大利亞Swan Valley地區(qū)發(fā)生一次強(qiáng)雷暴全過(guò)程。FY-4星閃電成像儀閃電探測(cè)成功捕獲到這次強(qiáng)雷暴過(guò)程。4個(gè)時(shí)間段統(tǒng)計(jì)的閃電成像儀閃電事件觀測(cè)數(shù)量如圖11所示。4個(gè)時(shí)間段的閃電事件與背景如圖12所示。

2017年3月29日，F(xiàn)Y-4星閃電成像儀探測(cè)到我國(guó)貴州、廣州和越南北部閃電，如圖13所示。經(jīng)與地面站探測(cè)結(jié)果比對(duì)，時(shí)間、位置均吻合。

從閃電探測(cè)結(jié)果可知：閃電探測(cè)模式能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同強(qiáng)度閃電事件實(shí)時(shí)探測(cè)；閃電成像儀具備對(duì)一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程進(jìn)行完整監(jiān)測(cè)和跟蹤能力。

圖10 地標(biāo)模式積分時(shí)間2 ms的24 h成像結(jié)果Fig.10 24 h imaging results of landmark observation mode with integral time 2 ms

圖11 FY-4A星閃電成像儀探測(cè)到的2017年2月13日 澳大利亞西部Swan Valley地區(qū)強(qiáng)雷暴過(guò)程Fig.11 Severe thunderstorm process in Swan Valley in Australia on Feb. 13, 2017 observed by FY-4A GLI

圖12 FY-4A星閃電成像儀探測(cè)到的2017年2月13日 澳大利亞西部Swan Valley閃電事件與背景Fig.12 Lightning events in Swan Valley in Australia on Feb. 13,2017 observed by FY-4A GLI and its background

圖13 2017年3月29日15：48中國(guó)及越南閃電的FY-4A 星閃電成像儀探測(cè)結(jié)果與地基網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.13 Lightning events in China and Vietnam at 15: 48 on Apr. 29, 2017 observed by FY-4A GLI and ground network

經(jīng)多次對(duì)大陸地區(qū)閃電探測(cè)儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)與閃電地基網(wǎng)的比對(duì)，閃電成像儀探測(cè)結(jié)果與地基網(wǎng)數(shù)據(jù)基本吻合。后續(xù)將持續(xù)監(jiān)測(cè)雷暴過(guò)程和對(duì)比星地觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)和驗(yàn)證閃電成像儀閃電探測(cè)率。

4 閃電成像儀發(fā)展展望

根據(jù)靜止軌道閃電探測(cè)的特點(diǎn)，閃電成像儀通過(guò)光譜濾波、空間濾波、時(shí)間濾波、幀背景去除結(jié)合的途徑實(shí)現(xiàn)閃電探測(cè)，通過(guò)雙鏡頭拼接實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)覆蓋，完成了FY-4A星閃電成像儀的研制，發(fā)射后在軌穩(wěn)定正常運(yùn)行。經(jīng)在軌初步測(cè)試，該閃電成像儀能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同強(qiáng)度閃電事件實(shí)時(shí)探測(cè)，具備對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程完整監(jiān)測(cè)和跟蹤能力。閃電成像儀在軌數(shù)據(jù)可為我國(guó)的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供有力支撐。

目前在靜止軌道運(yùn)行的閃電成像儀有美國(guó)的GOES-R衛(wèi)星的GLM，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀是第二個(gè)在軌運(yùn)行的靜止軌道閃電探測(cè)儀器。歐洲的(MTG)上的LI尚在研制中，目前還未發(fā)射。GLM，LI均是全圓盤觀測(cè)，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀觀測(cè)范圍是中國(guó)大陸及部分周邊海域，除觀測(cè)范圍小外，其他指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。

FY-4A星閃電成像儀的視場(chǎng)為4.98°×7.47°，不具調(diào)頭功能，在衛(wèi)星調(diào)頭時(shí)不能實(shí)現(xiàn)中國(guó)及周邊區(qū)域的連續(xù)實(shí)時(shí)閃電探測(cè)。為滿足我國(guó)氣象應(yīng)用需求，需對(duì)全圓盤閃電進(jìn)行24 h不間斷的實(shí)時(shí)探測(cè)，獲取圖像產(chǎn)品和閃電探測(cè)產(chǎn)品，更好地實(shí)現(xiàn)我國(guó)強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害天氣的實(shí)時(shí)、即時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)，為我國(guó)長(zhǎng)期氣象數(shù)值預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)，同時(shí)更好地為航空航天航海等提供短時(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)服務(wù)。下一代閃電成像儀將在FY-4A星研制的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能、性能大幅升級(jí)換代，將與國(guó)際最高水平一致。因視場(chǎng)擴(kuò)大和數(shù)據(jù)量的大幅增加，大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)、高幀率大動(dòng)態(tài)探測(cè)器、大口徑超窄帶濾光片、實(shí)時(shí)事件處理器的能力和規(guī)模及速率等要求遠(yuǎn)高于FY-4A星的閃電成像儀，需突破全圓盤觀測(cè)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域可調(diào)的點(diǎn)目標(biāo)閃電探測(cè)總體、大口徑高透過(guò)率超窄帶濾光片在軌應(yīng)用保障、高幀率低噪聲大面陣探測(cè)器、集成式高速星上實(shí)時(shí)事件處理等關(guān)鍵技術(shù)，為相機(jī)研制提供技術(shù)基礎(chǔ)，滿足國(guó)家的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了FY-4A星閃電成像儀的工作原理、軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，給出了其在軌測(cè)試成果，以及與國(guó)外同類產(chǎn)品的性能比較，并對(duì)閃電成像儀的后續(xù)發(fā)展進(jìn)行了展望。FY-4A星閃電成像儀的在軌運(yùn)行，填補(bǔ)了我國(guó)在閃電探測(cè)遙感器領(lǐng)域的空白，可實(shí)現(xiàn)我國(guó)雷電、強(qiáng)對(duì)流天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將閃電探測(cè)結(jié)果與云圖疊加，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電災(zāi)害、強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)，降低雷電、強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)我國(guó)航空、航天、航海、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信等領(lǐng)域的危害。目前，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀在軌測(cè)試已取得初步成果，但其在軌數(shù)據(jù)分析和評(píng)價(jià)還有待于更多數(shù)據(jù)的積累，以進(jìn)一步對(duì)該閃電成像儀的性能進(jìn)行驗(yàn)證。FY-4A星閃電成像儀的覆蓋范圍為中國(guó)大陸地區(qū)，在衛(wèi)星調(diào)頭時(shí)不能實(shí)現(xiàn)中國(guó)及周邊區(qū)域的連續(xù)實(shí)時(shí)閃電探測(cè)，后續(xù)閃電成像儀的發(fā)展方向?qū)⑹侨珗A盤閃電探測(cè)。FY-4A星閃電成像儀的研制為后續(xù)全圓盤閃電成像儀研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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DesignandImplementationofFY-4GeostationaryLightningImager

LIANGHua1，BAOShu-long1，CHENQiang2，ZHAOXue-min1，LIYun-fei1

(1. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing100076, China;2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai201109, China)

The development of geostationary lightning imager (GLI) of FY-4meteorological satellite was introduced in this paper, which was the first space optical remote sensor for lightning detection in China. The principle of space optical lightning detection was presented. Transmission optical system with small F number is used in the GLI. The large FOV coverage is realized by double lens jointed. The lightning signal is filtered by super narrow band multi-cavity interference filter with high stability. The lightning image and background image are obtained by CCD with large element. The multi-frame background assessment of data on focus plane, background remove, threshold comparison and lightning event coding are implemented by real time event processor (RTEP) with pixel in integral time. The spatial filter is carried using the same resolution of FOV to reduce the background signal effect of cloud, land and ocean on the lightning signal. The developed GLI is composited by the main body, lightning signal processing box, lightning management and temperature control box, and power distribution box. The three operation modes are designed, which are lightning detection, landmark observation and FPGA program uploading. The key technologies of GLI system, supper narrow band filter, CCD with high frame rate, RTEP and lab calibration and verification of GLI have been broken through. The performances of GLI on FY-4A satellite are similar to those of the same type instruments in the world. According to the on orbit test by now, it has proved that GLI of FY-4A satellite can detect lightning events with different intensity, and has the ability to monitor and trace strong convective weather processes. The development and application requirements of GLI technology follow-up in China are prospected.

FY-4meteorological satellite; lightning detection; geostationary lightning imager; real time event processor; lightning event; spectral filter; spatial filter

1006-1630(2017)04-0043-09

2017-06-08；

：2017-07-28

梁 華(1975—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫b感器總體技術(shù)。

P427.321

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.006