風(fēng)云四號輻射成像儀及其數(shù)據(jù)在衛(wèi)星氣象中的應(yīng)用

王淦泉，沈霞

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外探測與成像技術(shù)重點(diǎn)實驗室，上海 200083

1 氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象[1]

1.1 氣象衛(wèi)星

氣象衛(wèi)星是專門用于氣象觀測的應(yīng)用衛(wèi)星。氣象衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺和有效載荷分系統(tǒng)組成，其中遙感儀器是氣象衛(wèi)星的核心有效載荷。氣象衛(wèi)星上的遙感儀器可以獲取云和大氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)。衛(wèi)星氣象是利用衛(wèi)星遙感儀器獲取的遙感數(shù)據(jù)，生成云和地球表面物理狀態(tài)參數(shù)、大氣物理狀態(tài)參數(shù)、大氣組成成分及垂直分布參數(shù)等產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品應(yīng)用于氣象和環(huán)境科學(xué)工程。

通過氣象衛(wèi)星獲取的遙感數(shù)據(jù)要想得到有效的實際應(yīng)用，必須解決遙感數(shù)據(jù)的定量化問題。遙感數(shù)據(jù)的定量化至少包含三方面的概念：一是遙感數(shù)據(jù)對應(yīng)的地球上的準(zhǔn)確位置；二是遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；三是通過遙感數(shù)據(jù)所反演產(chǎn)品的準(zhǔn)確度。遙感儀器一般會配置從可見光至甚長波的不同探測波段，而遙感數(shù)據(jù)主要是指依據(jù)不同探測波段獲取的輻射量數(shù)據(jù)，這些輻射量數(shù)據(jù)反映了目標(biāo)(云和地表)反射太陽能量的大小和目標(biāo)(云和地表)自身輻射亮溫的高低。

1.2 衛(wèi)星氣象

在氣象衛(wèi)星工程發(fā)展的過程中，同時誕生了衛(wèi)星氣象學(xué)科和衛(wèi)星氣象工程。衛(wèi)星氣象是研究如何利用氣象衛(wèi)星獲取的輻射數(shù)據(jù)，推導(dǎo)大氣和地物表面狀態(tài)的參數(shù)，以及如何解釋衛(wèi)星遙感圖像。與衛(wèi)星氣象密切相關(guān)的學(xué)科有：

(1)幾何學(xué)

高品質(zhì)氣象衛(wèi)星觀測產(chǎn)品(圖像)的形成，需要掌握衛(wèi)星、太陽、地球等天體的運(yùn)動規(guī)律，預(yù)報多顆恒星的位置，利用幾何學(xué)對獲取的圖像進(jìn)行定位校正，使氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)與被測目標(biāo)位置準(zhǔn)確對應(yīng)，并形成各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的投影圖。

(2)大氣物理學(xué)

在遙感觀測過程中，將氣象衛(wèi)星遙感儀器一個探元對應(yīng)的觀測目標(biāo)作為一個氣象站，將遙感儀器觀測得到的數(shù)據(jù)予以標(biāo)定，再用大氣物理學(xué)輻射傳輸方程反演，獲得地球表面或大氣的物理狀態(tài)參數(shù)。

(3)大氣動力學(xué)

根據(jù)氣象衛(wèi)星遙感儀器獲取的云圖像的宏觀特征及其演變，利用大氣動力學(xué)可以反推大氣中發(fā)生了什么樣的熱力過程和動力過程，并且診斷大氣中存在的天氣系統(tǒng)在其生命史中處于什么階段，發(fā)展前景如何。

(4)數(shù)據(jù)同化

全世界的氣象站被安排在統(tǒng)一時間，用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)觀測統(tǒng)一的氣象要素。氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)是在不同時間獲取的，并且觀測要素也不是傳統(tǒng)的壓、溫、濕、風(fēng)等基本氣象參數(shù)。數(shù)據(jù)同化的目的就是建立大氣動力學(xué)和熱力學(xué)的一系列方程組，使所有不同時間、不同地點(diǎn)、不同觀測手段獲取的不同性質(zhì)和種類的數(shù)據(jù)，在描寫大氣行為的方程組及其初始條件和邊界條件下達(dá)到最佳匹配。數(shù)據(jù)同化是數(shù)值天氣預(yù)報和衛(wèi)星氣象的邊緣學(xué)科。

2 地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的有效載荷

2.1 極軌氣象衛(wèi)星和地球靜止氣象衛(wèi)星

在太陽同步軌道運(yùn)行的氣象衛(wèi)星稱作極軌氣象衛(wèi)星，其軌道高度一般在650～1 500 km，通過圍繞地球飛行的方式實現(xiàn)全球觀測，重復(fù)觀測周期較長；在地球同步軌道運(yùn)行的氣象衛(wèi)星稱作地球靜止氣象衛(wèi)星，其軌道高度為35 768 km，在相對地球靜止的赤道上空實現(xiàn)對局部地球區(qū)域的快速和連續(xù)的觀測，赤道上空3顆分布均勻的衛(wèi)星可實現(xiàn)對全球的連續(xù)觀測。

極軌氣象衛(wèi)星每天以相同方向經(jīng)過同一緯度的當(dāng)?shù)貢r間是相同的，對地球上同一區(qū)域的重復(fù)觀測時間一般需要12 h。地球靜止氣象衛(wèi)星相對地球幾乎不動，比極軌氣象衛(wèi)星具有觀測時間分辨率高的優(yōu)勢，對地球上同一區(qū)域重復(fù)觀測的時間可以小于1 min。地球靜止衛(wèi)星對于短時天氣預(yù)報、中小尺度天氣系統(tǒng)、災(zāi)害天氣的觀測追蹤和防災(zāi)減災(zāi)有特別重要的意義。

2.2 地球靜止自旋氣象衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星

根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定方式，地球靜止氣象衛(wèi)星可以分為自旋穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星。自旋穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星利用衛(wèi)星自旋實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)穩(wěn)定度高，圖像相對地球的定位精度也高。衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)時，載荷也跟著旋轉(zhuǎn)。載荷觀測視線對地球的張角僅為約17.4°，導(dǎo)致載荷可觀測時間的利用率很低，約為5.6%，無法實現(xiàn)凝視觀測，區(qū)域觀測的靈活性也較差。由于自旋速度的影響，探測器目標(biāo)駐留時間短，并且空間分辨率越高駐留時間越短。自旋穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星比較適合配置探測器不需要長駐留觀測的輻射成像儀，不利于配置探測器需要長時間駐留觀測的大氣垂直探測儀、微波輻射計、閃電成像儀等載荷。地球靜止自旋穩(wěn)定衛(wèi)星外形一般是圓柱體，地球靜止三軸穩(wěn)定衛(wèi)星一般是長方體。

三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星利用飛輪的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定和對地定向，姿態(tài)穩(wěn)定度相對較低。由于可以始終對著地球，載荷可觀測時間的利用率很高，可達(dá)80 %以上。地球靜止三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星區(qū)域觀測靈活性好，時間分辨率很高。其上配置的輻射成像儀可以針對地球圓盤(圓直徑17.4°)任何位置實現(xiàn)區(qū)域快速成像，1 000 km×1 000 km區(qū)域的觀測時間小于1 min。這種小區(qū)域的短時間連續(xù)觀測，十分有利于揭示中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的發(fā)展過程，幫助預(yù)報員作出準(zhǔn)確預(yù)報。地球靜止三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星可以凝視觀測地球，探測器的觀測駐留時間可以很長，使得配置需要長駐留時間的大氣垂直探測儀、閃電成像儀、微波輻射計等有效載荷成為可能，并使對太陽成像也成為可能。

2.3 地球靜止氣象衛(wèi)星載荷

1974年5月，美國發(fā)射了世界上第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星SMA-A，開創(chuàng)了氣象衛(wèi)星新紀(jì)元，并于1975年正式啟用世界第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-1。40多年來，美國、歐洲、日本、印度、前蘇聯(lián)、中國、韓國相繼發(fā)射了若干顆地球靜止氣象衛(wèi)星。由于基于自旋穩(wěn)定平臺的探測技術(shù)對衛(wèi)星平臺和載荷的技術(shù)要求相對較低，各國基本上按照先發(fā)展自旋平臺探測，后發(fā)展三軸穩(wěn)定平臺探測的技術(shù)思路。美國于1994年發(fā)射了世界上第一顆基于三軸穩(wěn)定平臺的地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-8，實現(xiàn)Imager和Sounder雙載荷的同時探測[2]。中國于1997年12月發(fā)射了自主研制的第一顆自旋穩(wěn)定地球靜止氣象衛(wèi)星FY-2(風(fēng)云二號，圖1)，實現(xiàn)了從可見光至長波紅外的5波段探測，并于2016年12月發(fā)射了自主研制的第一顆三軸穩(wěn)定地球靜止氣象衛(wèi)星FY-4(風(fēng)云四號，圖2)。衛(wèi)星上同時裝載了輻射成像儀、干涉式大氣垂直儀、閃電成像儀等多臺載荷，是同類衛(wèi)星中載荷最多的衛(wèi)星。輻射成像儀探測波段從0.45～13.8 μm，共有14個探測波段，覆蓋了從可見光至甚長波紅外；干涉式大氣垂直探測儀探測波段有兩個寬譜段組成，分別從4.44～6.06 μm (1 650～2 250 cm-1)和8.85～14.3 μm (700～1 130 cm-1)，光譜靈敏度分別達(dá)到了0.8 cm-1和1.6cm-1，共有1 500多個探測波段；閃電成像儀探測中心波長為777.7 nm，光譜帶寬僅1 nm。閃電成像儀專門用于云頂閃電的探測；輻射成像儀用于地球表面、大氣和云的平面探測；干涉式大氣垂直探測儀用于大氣的垂直探測。將輻射成像儀和干涉式大氣垂直探測儀的數(shù)據(jù)融合，可以實現(xiàn)地球大氣的三維探測。干涉式大氣垂直探測儀在風(fēng)云四號上的搭載，也是世界上首次在地球靜止氣象衛(wèi)星上的搭載，輻射成像儀性能也達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

圖1 風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星外形圖

圖2 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星外形圖

3 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星輻射成像儀

3.1 輻射成像儀主要任務(wù)

風(fēng)云四號衛(wèi)星是中國第二代地球靜止氣象衛(wèi)星，而輻射成像儀是風(fēng)云四號衛(wèi)星上最重要的有效載荷之一。FY-4在軌主要任務(wù)是獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數(shù)據(jù)和圖像，包括晝夜的地球全圓盤圖像、高頻次的區(qū)域圖像，以全面提高對地球表面和大氣物理參數(shù)的多光譜、高頻次、定量探測能力。

3.2 輻射成像儀性能特點(diǎn)

衛(wèi)星平臺從自旋穩(wěn)定到三軸穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變，不僅使大氣垂直探測儀和閃電成像儀等載荷的搭載成為可能，同樣也使輻射成像儀性能的大步跨越成為可能。地球靜止自旋穩(wěn)定平臺輻射成像儀探測波段、每波段探測元數(shù)、輻射測量分辨率都會受到探測器駐留時間和成像效率的較大約束，并且無法實現(xiàn)局部區(qū)域的快速重復(fù)觀測。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺為輻射成像儀提高掃描效率和實現(xiàn)局部區(qū)域的快速重復(fù)觀測提供了可能。風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星輻射成像儀相對風(fēng)云二號衛(wèi)星輻射成像儀在性能上有了很大的提高，主要體現(xiàn)在下面幾點(diǎn)：

(1)采用自主二維掃描技術(shù)(圖3)，即需要通過東西和南北兩個方向的配合掃描實現(xiàn)對地球全圓盤的成像，而自旋衛(wèi)星的東西掃描是通過衛(wèi)星自旋實現(xiàn)的。

圖3 風(fēng)云四號輻射成像儀二維掃描成像原理圖

(2)探測波段數(shù)從5波段增加到14波段，并且向可見光短波(低端)和紅外長波方向(高端)均有拓展，光譜低端和高端分別達(dá)到了0.45 μm和13.8 μm，而風(fēng)云二號輻射成像儀的光譜低端和高端分別為0.55 μm和12.5 μm，因此有效地拓展了目標(biāo)特征的探測和應(yīng)用范圍。

(3)地球圓盤圖成像時間從25 min縮短為15 min，全幀掃描效率從約5 % 提高到80 %以上，有效地加大了波段探元數(shù)目，延長了目標(biāo)成像駐留時間，是實現(xiàn)分辨率提高的技術(shù)基礎(chǔ)，并顯著提高了目標(biāo)輻射靈敏度和圖像對比度，主力探測波段10.3～11.3 μm輻射靈敏度達(dá)到了0.06 K。

(4)可見光0.55～0.75 μm波段空間分辨率達(dá)到了500 m，僅為風(fēng)云二號輻射成像儀的1/6，明顯地改善了小目標(biāo)圖像的清晰度，配合連續(xù)小區(qū)域掃描非常有利于觀測小尺度云的生成和發(fā)展過程。

(5)實現(xiàn)了地球觀測視場范圍(17.4°圓)內(nèi)任何位置的小區(qū)域連續(xù)觀測功能，1 000 km×1 000 km區(qū)域成像時間可縮短至30 s內(nèi)，中國區(qū)成像時間僅為5 min，這種性能在地球靜止自旋穩(wěn)定衛(wèi)星上是無法實現(xiàn)的。連續(xù)性的區(qū)域觀測對短時強(qiáng)災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的實時監(jiān)測及過程研究具有重要作用。

(6)實現(xiàn)了全波段在軌定標(biāo)，其中3.5 μm及以上紅外波段實現(xiàn)了全口徑全光路絕對定標(biāo)，定標(biāo)精度優(yōu)于1 K，主力探測波段10.3～11.3 μm輻射絕對定標(biāo)精度達(dá)到了0.3 K。為輻射探測數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用提供了重要的保證。

(7)實現(xiàn)了成像與恒星敏感合一功能，具備了對在軌6等及以下恒星的觀測能力，對于因熱變形引起的光軸變化校正提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，推導(dǎo)的圖像定位和配準(zhǔn)算法有效地彌補(bǔ)了三軸穩(wěn)定平臺相對自旋穩(wěn)定平臺的重要缺陷，改善了圖像相對地球的位置精度。圖4是補(bǔ)償前后印度陸地與印度洋交匯處廓線與標(biāo)稱地球網(wǎng)格對比效果圖。可以看出，為了使輻射成像儀圖像達(dá)到好的定位精度，地球靜止三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星位置補(bǔ)償是星地需要研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

圖4 補(bǔ)償前(a)和補(bǔ)償后(b)印度陸地邊界與標(biāo)稱廓線

3.3 輻射成像儀技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星經(jīng)歷了15年之久的漫長研制過程，由于需要解決衛(wèi)星平臺由自旋向三軸穩(wěn)定姿態(tài)穩(wěn)定方式轉(zhuǎn)變帶來的一些列問題，輻射成像儀經(jīng)歷了原理樣機(jī)、模樣、初樣和正樣等4個研制階段。為了適應(yīng)在軌環(huán)境，輻射成像儀發(fā)射前進(jìn)行了真空模擬太陽輻照熱平衡試驗、太陽反射波段室內(nèi)積分球定標(biāo)和外場定標(biāo)試驗、紅外波段真空定標(biāo)試驗、系統(tǒng)光譜響應(yīng)測試等重要試驗。

風(fēng)云四號衛(wèi)星2016年12月10日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射后，在地面站的配合下，輻射成像儀進(jìn)行了儀器溫控符合性試驗、14個波段圖像數(shù)據(jù)獲取和校正試驗、2.1～2.35 μm和3.5～4.0 μm(H)圖像超分效果比對試驗、在軌太陽反射波段定標(biāo)試驗、在軌紅外波段定標(biāo)試驗等重要試驗。經(jīng)過近一年的在軌測試，風(fēng)云四號衛(wèi)星順利地交付給了最終用戶——國家氣象局，輻射成像儀取得了圓滿成功。圖5和圖6分別是2.1～2.35 μm波段的超分前后圖像壓縮和放大狀態(tài)時的效果對比圖。其中圖5(a)和5(b)是該波段圖像壓縮時的對比圖，幾乎看不出清晰度的差別；圖6(a)和6(b)是該波段圖像放大時的對比圖，可以明顯看出清晰度的差別。說明超分達(dá)到了良好效果，這是超分技術(shù)在中國遙感衛(wèi)星上的首次應(yīng)用，尤其是在定量衛(wèi)星的應(yīng)用上取得了首次突破。

圖5 波段2.1～2.35 μm的超分前(a)和超分后(b)圖像壓縮狀態(tài)時的效果對比圖

圖6 波段2.1～2.35 μm的超分前(a)和超分后(b)圖像放大狀態(tài)時的效果對比圖

風(fēng)云四號輻射成像儀對掃描系統(tǒng)、光機(jī)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、輻射制冷器、探測器、電子線路、星上定標(biāo)系統(tǒng)等進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)地球靜止三軸穩(wěn)定平臺衛(wèi)星特有的動力學(xué)環(huán)境、熱學(xué)環(huán)境，強(qiáng)烈的太陽雜散輻射環(huán)境，滿足空間分辨率、探測靈敏度(信噪比)、圖像配準(zhǔn)精度及超長的壽命等用戶和衛(wèi)星總體設(shè)計要求，并盡可能減少對衛(wèi)星姿態(tài)的擾動，是輻射成像儀系統(tǒng)研制技術(shù)及各級分系統(tǒng)研制技術(shù)的重要研究內(nèi)容和目標(biāo)。特別是掃描系統(tǒng)如何保證穩(wěn)定指向精度和面型質(zhì)量及解決長壽命運(yùn)動問題；光學(xué)及其結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)劇烈的環(huán)境溫度變化并保證良好的像質(zhì)問題；定標(biāo)方案、信息處理方案及探測器均勻性校正方案等如何保證系統(tǒng)探測精度的穩(wěn)定性問題。輻射成像儀技術(shù)要求體現(xiàn)了3個特點(diǎn)：

(1)高精度：掃描鏡運(yùn)動精度高，要求達(dá)到1″(1σ)，光分辨率高(僅14 μrad)，各波段及波段內(nèi)圖像配準(zhǔn)精度高(優(yōu)于1/4像素)；

(2)長壽命：設(shè)計在軌壽命7年，主要體現(xiàn)在探測器長壽命和大慣量掃描鏡連續(xù)低速擺動2億次，這在國內(nèi)還沒有先例；

(3)環(huán)境惡劣：輻射成像儀每天外熱流波動劇烈，引起內(nèi)部溫度場每天30 K以上的劇烈波動。

盡管三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺對于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星平臺有較多突出的優(yōu)點(diǎn)，但輻射成像儀研制也存在其特有的難題：安裝在相對較低姿態(tài)穩(wěn)定度衛(wèi)星平臺上，不利于圖像配準(zhǔn)和定位，大慣量掃描鏡的連續(xù)擺動會加劇這種不穩(wěn)定；輻射成像儀如何適應(yīng)惡劣的溫度環(huán)境，并獲得高質(zhì)量的圖像。設(shè)計師需要采用特殊的技術(shù)手段對這些問題加以有效解決，不然三軸穩(wěn)定平臺的優(yōu)勢就難以發(fā)揮，甚至輻射成像儀性能可能被這些問題所抑制。具體來說，輻射成像儀取得了以下重要的技術(shù)突破：

(1)輻射成像儀采用東西、南北雙掃描鏡實現(xiàn)二維掃描成像。衛(wèi)星對掃描鏡運(yùn)動控制精度和實時補(bǔ)償精度也提出了很高的要求，掃描鏡掃描運(yùn)動時的角位置定位精度達(dá)到1″(1σ)。輻射成像儀掃描鏡運(yùn)動控制采用基于感應(yīng)同步器角度反饋、交流永磁伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)字化控制技術(shù)，并利用激光陀螺對感應(yīng)同步器的反饋角度進(jìn)行了動態(tài)角度校正。陀螺校正成為實現(xiàn)高精度掃描鏡絕對角度運(yùn)動控制重要的環(huán)節(jié)，陀螺測角精度可以達(dá)到0.1″(1σ)。在軌測試數(shù)據(jù)表明，輻射成像儀掃描鏡運(yùn)動指向精度分別在10°/s時達(dá)到了0.4″(1σ)和2.5°/s時達(dá)到了0.24″(1σ)。

(2)輻射成像儀凝視地球，且隨地球同步自轉(zhuǎn)，每天太陽直射到儀器內(nèi)部的時間超過10 h，照到掃描鏡的時間約6 h。輻射成像儀每天將經(jīng)歷被太陽高溫直射和接收地球輻射或太空冷背景低溫輻射的循環(huán)過程。由于外熱流的變化，輻射成像儀也將隨著外熱流變化經(jīng)歷很大的溫度變化。這種變化不僅表現(xiàn)出日周期，還表現(xiàn)出隨太陽高度角變化的季節(jié)性周期。外熱流的這種日變化，對儀器環(huán)境來說，好比每天都得經(jīng)歷一次春夏秋冬的四季溫度循環(huán)。在這種日周期的“四季”溫度循環(huán)過程中，儀器必須時刻保持良好的狀態(tài)。受這種熱循環(huán)影響最大的部件是掃描機(jī)構(gòu)、三反射望遠(yuǎn)鏡和輻射制冷器。儀器內(nèi)的溫度大幅變化非常不利于輻射成像儀獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量圖像，尤其對圖像配準(zhǔn)精度和輻射探測精度會帶來不利影響。為了將上述太陽不利影響降低到最低程度，設(shè)計師采取了以下技術(shù)措施：①良好的溫控設(shè)計，不僅使得關(guān)鍵部件的溫度極值小，而且要使溫度波動范圍小、梯度?。虎趦?yōu)異的光機(jī)熱變形抵御能力，望遠(yuǎn)鏡能夠適應(yīng)0～40 K的溫度波動，掃描機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)0～50 K的溫度波動及軸二端10 K的溫度梯度；③良好的太陽雜散和背景輻射抑制措施，有效的光欄設(shè)計阻擋了一級雜散的入侵，同時星地配合的在軌背景輻射測試和校正過程，進(jìn)一步降低了背景輻射的影響，有效地提高了探測數(shù)據(jù)的可信度。

(3)實現(xiàn)掃描鏡東西向2億次的低速往復(fù)掃描運(yùn)動是輻射成像儀長壽命的主要標(biāo)志。這種長壽命要以保證足夠的掃描鏡運(yùn)動精度為前提，而且實現(xiàn)環(huán)境是掃描機(jī)構(gòu)框架每天溫度波動10～40 K，顯得難度更大。輻射成像儀在研制合適的潤滑脂基礎(chǔ)上，對掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精確的抵消溫度梯度引起的變形適應(yīng)性設(shè)計。特別是掃描鏡指向精度保證的核心元件——感應(yīng)同步器的固定工藝方案，確保了掃描鏡的運(yùn)動指向精度不受環(huán)境溫度波動的影響。發(fā)射前還進(jìn)行多次真空和常壓的溫度驗證試驗，實現(xiàn)了惡劣溫度環(huán)境下高精度與長壽命的統(tǒng)一。

4 輻射成像儀探測數(shù)據(jù)在衛(wèi)星氣象中的應(yīng)用

4.1 輻射成像儀探測數(shù)據(jù)及處理

風(fēng)云四號輻射成像儀具有從可見光至甚長波紅外的14個探測波段，這14個波段具有不同的探測用途，可以識別不同地表、云或大氣的不同光譜特征，詳見表1。輻射成像儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星平臺下傳，被地面站接收后，需要經(jīng)過多級處理才能形成有用的氣象產(chǎn)品。氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理一般分為4個級別：

(1)0級數(shù)據(jù)：輻射成像儀的原始數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星平臺下傳，經(jīng)地面譯碼后形成的數(shù)據(jù)。

(2)1級數(shù)據(jù)：0級數(shù)據(jù)經(jīng)格式變換、定位和定標(biāo)等處理后生成的數(shù)據(jù)，包含波段輻射亮溫和反射率。

(3)2級數(shù)據(jù)：對1級數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成的各種產(chǎn)品，如地球物理參數(shù)(包括各種陸表、海表、云、大氣狀態(tài)等)、基本圖像產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品和災(zāi)情監(jiān)測產(chǎn)品等。

(4)3級數(shù)據(jù)：在2級數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成的氣候產(chǎn)品和其他分析產(chǎn)品。

表1 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星輻射成像儀主要性能

在輻射成像儀的4級數(shù)據(jù)處理過程中，1級數(shù)據(jù)的生成需涉及定位處理和定標(biāo)處理。定位處理是在每一個探測像素位置和相應(yīng)的地面探測點(diǎn)的地理經(jīng)緯度之間建立確定的映射關(guān)系。位置標(biāo)定信息有衛(wèi)星軌道、姿態(tài)參數(shù)，地標(biāo)導(dǎo)航，太陽、地球、衛(wèi)星、恒星相對關(guān)系等。定量處理是在每一個(組)探測數(shù)據(jù)與反射率和輻射亮溫之間對應(yīng)關(guān)系。形成數(shù)據(jù)定標(biāo)信息有輻射成像儀發(fā)射前、后的各波段輻射定標(biāo)系數(shù)，在軌輻射背景數(shù)據(jù)等。

4.2 基于輻射成像儀探測數(shù)據(jù)的氣象產(chǎn)品及應(yīng)用

輻射成像儀的探測數(shù)據(jù)形成的氣象產(chǎn)品分為定性產(chǎn)品和定量產(chǎn)品兩種。定性產(chǎn)品主要以圖像的形式給出，通過分析圖像中目標(biāo)的紋理、形狀、分布、走向趨勢和相對大小關(guān)系等特征，從而得到一些圖像的定性分析結(jié)果。定量產(chǎn)品除涵蓋了定性產(chǎn)品的功能以外，還可以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值分析、驗證。實際應(yīng)用中，需要同時考慮用戶的需求和數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)來進(jìn)行產(chǎn)品反演。

在衛(wèi)星氣象的4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品最為豐富。按投影分類有蘭勃特投影、麥卡托投影、等經(jīng)緯度投影、極射赤面投影等；按通道分類有單通道(波段)云圖、多通道(波段)合成云圖等。除了云圖外，2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品有地表溫度、海表溫度、植被指數(shù)、干旱指數(shù)、積雪范圍、海水、云總量、云高、云頂溫度、射出長波輻射、海上氣溶膠、大氣可降水、頁面指數(shù)、城市熱島；還有洪災(zāi)、森林火災(zāi)、沙塵暴、大霧等災(zāi)害監(jiān)測產(chǎn)品；還有海洋水色、海面油污、河口泥沙、海岸侵蝕等海洋環(huán)境產(chǎn)品。3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要指氣候產(chǎn)品和分析產(chǎn)品。氣候產(chǎn)品有按侯(5天)、旬、月統(tǒng)計的海溫、積雪、云總量、大氣濕度、植被指數(shù)；分析產(chǎn)品有熱帶氣旋位置、熱帶氣旋強(qiáng)度、極渦位置、中尺度天氣結(jié)構(gòu)場、農(nóng)作物長勢等[1]。

下面通過云檢測、云相態(tài)、沙層暴、積雪指數(shù)、強(qiáng)對流等產(chǎn)品來介紹輻射成像儀多波段數(shù)據(jù)在衛(wèi)星氣象中的作用[3]。

云檢測算法采用輻射成像儀的0.65 μm、1.61 μm、3.75 μm、7.1 μm、10.8 μm、12.0 μm等6個通道數(shù)據(jù)，結(jié)合多種輔助數(shù)據(jù)源，利用云和晴空在光譜及空間方面的不同特征來進(jìn)行區(qū)分。檢測結(jié)果共分為4類，包含：晴空、可能晴空、可能云、云。人們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降母鞣N云，當(dāng)用計算機(jī)來識別時，卻要用到如此之多的光譜數(shù)據(jù)才能確定(圖7)。

圖7 風(fēng)云四號輻射成像儀2017年10月26日01：00時(世界時)的云檢測產(chǎn)品

僅靠單一通道或波長的云有效發(fā)射率無法得到云的微物理信息，需要利用云的有效發(fā)射率的波譜變化。為了有效利用這個特征，可利用有效云發(fā)射率來計算有效吸收光學(xué)厚度比。云的有效吸收光學(xué)厚度比不依賴于觀測的輻射、云高或云光學(xué)厚度。云相態(tài)算法需要使用成像儀7.3 μm、8.5 μm、11 μm和12 μm通道的輻射數(shù)據(jù)以及成像儀的云檢測產(chǎn)品來進(jìn)行計算(圖8)。

圖8 風(fēng)云四號輻射成像儀2017年9月20日06：00時(世界時)的地球全圓盤云相態(tài)圖像

圖9是風(fēng)云四號輻射成像儀2017年5月4日03：15時(世界時)的沙層強(qiáng)度監(jiān)測圖。

沙塵檢測算法以沙塵在各光譜展示的與云、地表和晴空大氣的獨(dú)特差異性為基礎(chǔ)，并依據(jù)光譜閾值法和概率密度函數(shù)將沙塵從云和晴空水體陸地中區(qū)分開。須采用0.47 μm、0.64 μm、0.86 μm、1.38 μm、1.6 μm、3.7 μm、11 μm、12μm等波段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對沙塵產(chǎn)品采用單通道光譜聚類、亮溫差、比值法、背景場法和均一性檢驗等12組判識標(biāo)準(zhǔn)。就像醫(yī)生對復(fù)雜病理的判定過程，必須通過一系列不同類型檢查指標(biāo)的綜合，才能確定病情。

圖10是風(fēng)云四號輻射成像儀2017年10月16日04：53時(世界時)中國區(qū)域積雪覆蓋范圍產(chǎn)品示例。

圖10中，從帕米爾高原沿青藏高原北側(cè)到青海湖南部的沿線區(qū)域，有明顯的積雪分布，這說明產(chǎn)品監(jiān)測到了10月中旬中國西部青海、甘肅等地的一次顯著降雪過程。此外，貝加爾湖的西部和南部，也有成片的積雪覆蓋。產(chǎn)品算法需要輻射成像儀的0.65 μm、0.825 μm、1.375 μm和1.61 μm反射率通道數(shù)據(jù)，3.75 μm、8.5 μm、10.8 μm和12.0 μm亮溫通道數(shù)據(jù)，衛(wèi)星天頂角、太陽天頂角、衛(wèi)星方位角和太陽方位角信息，時間、高程、土地利用類型等地理信息數(shù)據(jù)，以及積雪判識查找表和積雪判識閾值表，以及云檢測結(jié)果。

圖11是風(fēng)云四號輻射成像儀利用10.8 μm 通道增強(qiáng)顯示后得到的2017年8月22日21時(世界時)臺風(fēng)“天鴿”在登陸廣東前的圖像。從圖上可以清晰地觀察到臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征：整個臺風(fēng)南側(cè)螺旋云帶發(fā)展旺盛，強(qiáng)對流區(qū)主要集中在西南象限，登陸前中心眼區(qū)清晰，圍繞眼區(qū)為密實卷云。地球靜止氣象衛(wèi)星輻射成像儀是監(jiān)測臺風(fēng)生成和發(fā)展的監(jiān)測利器。

圖9 輻射成像儀沙層暴強(qiáng)度分布監(jiān)測圖

圖10 風(fēng)云四號輻射成像儀2017年10月16日04：53時(世界時)中國區(qū)域積雪覆蓋范圍產(chǎn)品

圖11 風(fēng)云四號輻射成像儀利用10.8 μm通道監(jiān)測臺風(fēng)的增強(qiáng)圖像

氣象衛(wèi)星的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用、服務(wù)于氣象、海洋、水文、環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)、航空、海運(yùn)及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域和部門。隨著社會的進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，衛(wèi)星產(chǎn)品在社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)及服務(wù)人民大眾日常生活等方面，正發(fā)揮著越來重要的作用。

(2017年11月6日收稿)

[1] 徐博明. 氣象衛(wèi)星有效載荷技術(shù)[M]. 北京: 北京宇航出版社, 2005.

[2] GOES-N/O/P/Q. The next generation earth stationary meteorological satellite [EB/OL]. [2017-11-06]. https://sxi.ngdc.noaa.gov/sxi/docs/GOES-NOP_Brochure_40p.pdf.

[3] 楊軍. 衛(wèi)星氣象及其應(yīng)用[M]. 北京: 氣象出版社, 2014.