靜止軌道閃電探測(cè)性能實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證技術(shù)研究

李云飛 鮑書龍 王志強(qiáng) 唐紹凡 張如意

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靜止軌道閃電探測(cè)性能實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證技術(shù)研究

李云飛1鮑書龍1王志強(qiáng)1唐紹凡1張如意2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

在空間遙感領(lǐng)域，閃電是具有代表性的瞬態(tài)點(diǎn)源隨機(jī)多目標(biāo)，閃電與雷暴等強(qiáng)對(duì)流氣象現(xiàn)象有著密切的聯(lián)系，通過對(duì)閃電的觀測(cè)可獲取雷暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的分布、變化、定位、預(yù)報(bào)。作為有代表性的瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)，通過對(duì)特定區(qū)域的閃電進(jìn)行連續(xù)觀察，可以統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域閃電發(fā)生的頻次和閃電發(fā)生周期等特征信息，從而為閃電的預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。由于缺少云頂閃電輻射、閃電分布、閃電瞬態(tài)特性等參數(shù)，地面模擬緩變的云層、陸地與海洋等背景和云頂閃電存在較大的困難，靜止軌道閃電探測(cè)類相機(jī)的探測(cè)率（Lightning Detection Efficiency，LDE）、虛警率（False Alarm Rate，F(xiàn)AR）等探測(cè)性能驗(yàn)證由于目標(biāo)特性的不確定性也變得更加困難?；陂W電信號(hào)及云背景的光學(xué)輻射特性參數(shù)，文章對(duì)閃電目標(biāo)及云背景進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室閃電場(chǎng)景模擬系統(tǒng)。文章論述了在實(shí)驗(yàn)室中利用靜止軌道閃電探測(cè)相機(jī)對(duì)模擬的云頂閃電和背景進(jìn)行成像與探測(cè)的試驗(yàn)，通過對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)、比對(duì)與分析，驗(yàn)證靜止軌道瞬態(tài)隨機(jī)點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的探測(cè)性能，為相機(jī)的交付和在軌運(yùn)行提供有力的保障。

瞬態(tài)隨機(jī)點(diǎn)源多目標(biāo) 探測(cè)相機(jī) 探測(cè)率 虛警率 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證 空間遙感

0 引言

閃電是具有代表性的瞬態(tài)點(diǎn)源隨機(jī)多目標(biāo)，閃電與雷暴等強(qiáng)對(duì)流氣象現(xiàn)象有著密切的聯(lián)系，通過對(duì)閃電的觀測(cè)可獲取雷暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的分布、變化、定位、預(yù)報(bào)[1]。

地球靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)不同于國(guó)內(nèi)已往研制的其他遙感器，這種不同來源于觀測(cè)目標(biāo)的特點(diǎn)和觀測(cè)條件的特殊性，設(shè)計(jì)所需要的基本參數(shù)（包括點(diǎn)源目標(biāo)及云背景的空間特性、時(shí)間特性和輻射特性），都沒有第一手資料可循，幾乎所有的基本數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型都來自國(guó)外。而國(guó)外的研究資料對(duì)同一問題的描述又有差別，甚至是較大的差別[2-4]。在這種情況下，標(biāo)定和驗(yàn)證就顯得尤為重要，只有通過在實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證的方式找出最佳的評(píng)價(jià)手段，從而對(duì)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定與驗(yàn)證。美國(guó)在研制靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的過程中，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證研究，取得了很好的效果[5-6]。

基于靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的特性和成像特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電點(diǎn)源目標(biāo)及云背景的場(chǎng)景特性模擬，并驗(yàn)證了此類相機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)探測(cè)率（Lightning Detection Efficiency，LDE）和虛警率（False Alarm Rate，F(xiàn)AR）。

1 靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的特點(diǎn)與驗(yàn)證內(nèi)容

白天，點(diǎn)源目標(biāo)信號(hào)往往被云層、陸地、海洋和綠色植被的強(qiáng)反射陽光背景噪聲掩蓋，使得白天探測(cè)點(diǎn)源目標(biāo)極端困難，唯一的方法是對(duì)亮背景情況下的點(diǎn)源目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)與極值化的處理。靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)利用了瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)和背景噪聲之間存在時(shí)間、空間和光譜特性上的較大差異這一有利條件，采用光譜濾波、空間濾波、幀—幀背景去除三種方法的組合來實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)多點(diǎn)源目標(biāo)的增強(qiáng)與探測(cè)[7-9]。相機(jī)采用中心譜線777.4nm、帶寬僅有1nm的超窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)了光譜濾波，從而將閃電的特征譜線提取出來；采用高幀率、大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)事件處理器來實(shí)現(xiàn)了在空間維的目標(biāo)識(shí)別；并且基于目標(biāo)及背景在發(fā)生時(shí)間上的顯著差異，采用幀—幀背景去除的方式有效消除了云背景對(duì)閃電目標(biāo)信號(hào)的影響。

基于上述相機(jī)的特性和成像特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性的LDE和FAR驗(yàn)證，驗(yàn)證的內(nèi)容及要求如表1所示。

表1 驗(yàn)證內(nèi)容及要求

Tab.1 Verification contents and requirements

2 點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的驗(yàn)證方案

地球靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)在軌性能探測(cè)的結(jié)果主要體現(xiàn)為L(zhǎng)DE和FAR，LDE是在靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)視場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)發(fā)生的全部點(diǎn)源目標(biāo)中，被相機(jī)正確探測(cè)到的點(diǎn)源目標(biāo)所占的百分率，LDE是反映靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。虛警的產(chǎn)生主要由于實(shí)時(shí)事件處理器在背景減光或點(diǎn)源目標(biāo)，提取過程中因儀器誤差將某個(gè)噪聲錯(cuò)誤判讀為一個(gè)點(diǎn)源目標(biāo)，F(xiàn)AR是靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)到的全部點(diǎn)源目標(biāo)中虛假事件所占的百分率。根據(jù)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的特點(diǎn)，LDE和FAR只有在衛(wèi)星發(fā)射后，通過比對(duì)衛(wèi)星實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)，才能得到真正可靠的評(píng)估結(jié)果[10]。閃電繪圖儀（Lightning Imaging Sensor，LIS）和光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)器（Optical Transient Detector，OTD）的LDE和FAR，就是衛(wèi)星在軌工作一段時(shí)間后利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)檢驗(yàn)得到的評(píng)估結(jié)果[11-14]。

對(duì)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的定量標(biāo)定需要在軌實(shí)際探測(cè)點(diǎn)源目標(biāo)才可能實(shí)現(xiàn)。目前，LDE和FAR的驗(yàn)證是基于實(shí)驗(yàn)室模擬場(chǎng)景下測(cè)得，和自然界真正的點(diǎn)源目標(biāo)有一定的區(qū)別。

實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證基本思路如下所述，相機(jī)接收到經(jīng)過無限遠(yuǎn)場(chǎng)景準(zhǔn)直系統(tǒng)的點(diǎn)源目標(biāo)及云背景模擬信號(hào)，探測(cè)出模擬的點(diǎn)源目標(biāo)；在靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)工作的同時(shí)高速成像系統(tǒng)接收到同樣的綜合信號(hào)，探測(cè)出模擬的點(diǎn)源目標(biāo)。將靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)結(jié)果、高速成像系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果、點(diǎn)源目標(biāo)模擬結(jié)果進(jìn)行探測(cè)結(jié)果校準(zhǔn)，然后采“三二判決”進(jìn)行分析、比對(duì)、統(tǒng)計(jì)，最終得出靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)LDE和FAR的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證示意框圖如圖1所示。

3 點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)

驗(yàn)證LDE和FAR需要的設(shè)備包括：

1）實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)；

2）高速數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)。

3.1 實(shí)驗(yàn)室閃電場(chǎng)景模擬系統(tǒng)

通過對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)在云層中的傳輸機(jī)理及對(duì)云頂層照亮情況的研究，獲得點(diǎn)源目標(biāo)照亮云頂層的能量輻射特性[15-16]，進(jìn)行點(diǎn)源目標(biāo)地面應(yīng)用系統(tǒng)研究，建立一套實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)。

根據(jù)點(diǎn)源目標(biāo)發(fā)生的隨機(jī)性、以及地面觀察與在云頂上方觀察的不一致性等特點(diǎn)，模擬了點(diǎn)源目標(biāo)的各種光學(xué)輻射特性參數(shù)，主要包括：光譜特性、光譜輻射強(qiáng)度、云頂反射系數(shù)、點(diǎn)源目標(biāo)持續(xù)時(shí)間、照亮云頂面積、太陽反射光譜輻射強(qiáng)度及時(shí)間特性。在對(duì)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)和靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)與靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)在軌環(huán)境參數(shù)匹配起來[17]，從而保證模擬檢測(cè)的可靠性，為靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)提供準(zhǔn)確有效的驗(yàn)證與標(biāo)定手段，實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景模擬系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光器作為模擬點(diǎn)源目標(biāo)源，通過擴(kuò)束鏡和高精度三角斬波器產(chǎn)生模擬的點(diǎn)源目標(biāo)；利用多組二維隨機(jī)指向裝置和分光棱鏡的組合，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度點(diǎn)源目標(biāo)脈沖的全視場(chǎng)隨機(jī)分布，并實(shí)時(shí)定位激光光斑的位置；利用光譜輻亮度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射鏡反射的激光束光強(qiáng)，利用調(diào)諧可變功率激光器和變倍擴(kuò)束系統(tǒng)、可變衰減片來調(diào)節(jié)激光束強(qiáng)度，以模擬不同強(qiáng)度的點(diǎn)源目標(biāo)。同時(shí)緩慢變化的背景圖像通過高亮的投影設(shè)備投影到屏上，用以模擬云層反射的陽光背景。

實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)如下：

模擬點(diǎn)源目標(biāo)光譜精度/nm：0.05；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)光譜范圍/nm：700~850；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)光譜輻亮度范圍/（W/(m2·μm·Sr)）：3.0~700.0；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)云頂反射系數(shù)：50%~90%；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)持續(xù)時(shí)間/μs：50~1 000；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)脈沖波形：近似三角波；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)脈沖隨機(jī)性：全場(chǎng)景內(nèi)概率均等；

模擬景物與靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)之間的距離/m：≥16；

模擬景物尺寸：≥1.40m×2.80m；

模擬點(diǎn)源目標(biāo)照亮云頂面積（分段可調(diào)）/mm：1.75、2.6、3.5、4.6、5.25；

模擬云背景輻亮度范圍/（W/(m2·μm·Sr)）：0.0~396.0（波長(zhǎng)：777.4nm±10nm）；

模擬云背景變化周期/min：>5；

漫反射板的反射效率：50%~90%。

3.2 高速數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)

高速數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)包括兩部分，功能包括同時(shí)接收與存儲(chǔ)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)和高速成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，完成對(duì)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)圖像與高速成像系統(tǒng)圖像的實(shí)時(shí)處理，并完成靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)與高速成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)比與評(píng)價(jià)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示意圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在得到點(diǎn)源目標(biāo)模擬信號(hào)及點(diǎn)源背景場(chǎng)景模擬信號(hào)的各種工作參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)獲取靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的探測(cè)結(jié)果和高速攝像機(jī)的探測(cè)結(jié)果，對(duì)3種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比對(duì)和統(tǒng)計(jì)，得出靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的LDE以及FAR。

假設(shè)點(diǎn)源目標(biāo)數(shù)目為，靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)實(shí)際探測(cè)到的數(shù)目為，經(jīng)過綜合分析、判斷后，核實(shí)確實(shí)發(fā)生而又被靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)到的點(diǎn)源目標(biāo)數(shù)目為（通常≤），即：

LDE=/

FAR=（–）/

4 點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的驗(yàn)證結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源目標(biāo)場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的實(shí)物瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)模擬系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)對(duì)靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)進(jìn)行了LDE和FAR試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)共模擬點(diǎn)源目標(biāo)約200萬個(gè)，利用靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)和高速攝像機(jī)同時(shí)對(duì)模擬的背景和點(diǎn)源目標(biāo)實(shí)時(shí)成像，分別探測(cè)出瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)，再利用二維隨機(jī)指向裝置、高速攝像機(jī)探測(cè)結(jié)果和靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、分析和統(tǒng)計(jì)，得出靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)的LDE和FAR結(jié)果如表2所示，某一時(shí)刻的模擬背景與點(diǎn)源目標(biāo)圖像以及靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

表2 靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)LDE與FAR驗(yàn)證結(jié)果

Tab.2 LDE and FAR verification results of point source target detecting camera on geostationary orbit

5 結(jié)束語

利用實(shí)驗(yàn)室閃電場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的物理模擬方法能夠有效實(shí)現(xiàn)高反差強(qiáng)背景下的瞬態(tài)點(diǎn)源目標(biāo)模擬，在進(jìn)行靜止軌道點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)類相機(jī)性能驗(yàn)證時(shí)能夠有效檢驗(yàn)該類相機(jī)的目標(biāo)探測(cè)性能。該方法具有廣闊的應(yīng)用前景和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，適用于探測(cè)率相機(jī)發(fā)射前的性能評(píng)價(jià)，可以為在軌可靠運(yùn)行提供保障。

[1] 鮑書龍, 唐紹凡, 李云飛, 等. 靜止軌道瞬態(tài)點(diǎn)源多目標(biāo)閃電信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(9): 2390-2395. BAO Shulong, TANG Shaofan, LI Yunfei, et al. Real-time Detection Technology of Instantaneous Point-source Multi-target Lightning Signal on the Geostationary Orbit[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(9): 2390-2395. (in Chinese)

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Detectability Verification Technology Study in Lab of Instantaneous Random Point-source Multi-target Detecting Camera on the Geostationary Orbit

LI Yunfei1BAO Shulong1WANG Zhiqiang1TANG Shaofan1ZHANG Ruyi2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China）

As a typical kind of instantaneous random point source multi-target signal in space remote sensing field, lightning has close correlation with severe convection phenomena such as thunderstorm and etc. Lightning observation is available for acquiring the lightning characteristics, including its distribution, variation, position and forecasting. By observing the lightning phenomena at special area in continuous mode, the frequency and period of occurrence can be summed up statistically, thus providing scientific evidence for lightning forecasting. Lack of the lightning parameters such as cloud-top radiation, distribution and transient characteristics, it is difficult to simulate the slowly-changed cloud, cloud-top lightning and background including land and ocean. Similarly, due to the uncertainty of target properties, it is much more tough to validate lightning detection efficiency (DE) and false alarm rate (FAR) of lightning detection camera on geostationary orbit. In this paper, based on the characteristic parameters of lightning signal and cloud background, the lightning target and cloud background are simulated, and a lightning scene simulation system is implemented. How to use this kind of camera to test the simulated lighting signal and background is also discussed. From the comprehensive statistical contrast and analysis for the detection results, the detecting performance of the camera was validated, thus providing a powerful foundation for camera delivery and operation in orbit.

instantaneous random point-source multi-target; detection camera; lightning detection efficiency; false alarm rate; Lab validation; space remote sensing

V19

A

1009-8518(2018)05-0074-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.01.010

李云飛，男，1980年生，2001年獲南京理工大學(xué)光學(xué)技術(shù)與光電儀器專業(yè)學(xué)士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)遙感器定標(biāo)。E-mail: leeempyrean@sina.com。

2018-05-10

（編輯：劉穎）