靜止軌道閃電光學(xué)探測的光譜選擇及影響分析

鮑書龍 陳強(qiáng) 張志清 湯天瑾 趙學(xué)敏

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靜止軌道閃電光學(xué)探測的光譜選擇及影響分析

鮑書龍1,2陳強(qiáng)3張志清4湯天瑾1,2趙學(xué)敏1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） (2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094 ) （3上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201100） （4中國國家氣象衛(wèi)星中心，北京 100081）

閃電產(chǎn)生于強(qiáng)對流云或?qū)α髟葡?，是?qiáng)對流災(zāi)害性天氣的“示蹤器”。閃電成像儀在靜止軌道上利用瞬態(tài)閃電和緩變的云層、陸地與海洋等背景噪聲之間存在時間、空間和光譜特性上的差異，采用光譜濾波、空間濾波、多幀-幀背景去除等三種方法組合來實現(xiàn)瞬態(tài)閃電的增強(qiáng)與探測。由于中國缺少云頂閃電輻射、閃電分布、閃電瞬態(tài)特性等參數(shù)，靜止軌道閃電光學(xué)探測儀器的設(shè)計重點之一是光學(xué)探測譜段的選擇與評價。針對中國存在的閃電光學(xué)性能研究不足和空基天基的光學(xué)探測手段較少的情況，在地面采用光譜儀對人工模擬閃電、自然界閃電進(jìn)行光學(xué)特性探測，對獲取到的地基閃電光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和反演，從而得出天基閃電探測的參數(shù)選擇。文章重點論述了閃電的空間光學(xué)探測儀器的探測譜段選取、仿真計算、試驗驗證等內(nèi)容，為靜止軌道閃電光學(xué)探測載荷研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和保障。

閃電 光學(xué)探測 光譜選擇 影響評估 航天遙感

0 引言

我國閃電研究主要集中在電場和磁場等方面，閃電探測主要是地基的電場、磁場等雷達(dá)探測方式，鮮有閃電的光學(xué)特性研究，“風(fēng)云四號”（FY-4）衛(wèi)星閃電成像儀是我國首次開展的空間閃電光學(xué)探測，也是國際上同步開展的靜止軌道閃電光學(xué)探測三臺載荷之一。

文獻(xiàn)[1]主要論述了在靜止軌道上利用瞬態(tài)點源多目標(biāo)閃電信號和緩變的云層、陸地與海洋等背景噪聲之間存在時間、空間和光譜特性上的差異，采用光譜濾波、空間濾波、幀—幀背景去除三種方法的組合實現(xiàn)瞬態(tài)點源多目標(biāo)閃電信號的增強(qiáng)與探測。

文獻(xiàn)[2]主要論述了閃電成像儀實驗室性能測試。文獻(xiàn)[3]在明確虛警率和探測率概念基礎(chǔ)上，建立了虛警率和探測率與信噪比之間相互關(guān)系的定量模型，通過仿真計算得出信噪比大于5.0時虛警率可控制在10%以內(nèi)、信噪比達(dá)到5.2~5.7以上時探測率可達(dá)到90%。

文獻(xiàn)[４]介紹了我國第一臺探測閃電的空間光學(xué)遙感儀器—“風(fēng)云四號”（FY-4）衛(wèi)星裝載的閃電成像儀的設(shè)計與實現(xiàn)，并給出了空間光學(xué)閃電探測原理以及閃電成像儀實驗室標(biāo)定與驗證等關(guān)鍵技術(shù)。

文獻(xiàn)[5]主要論述了利用地基閃電觀測數(shù)據(jù)對美國低軌道衛(wèi)星閃電成像儀TRMM/LIS的檢驗和驗證：衛(wèi)星和地基閃電觀測數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，說明了衛(wèi)星光學(xué)成像閃電探測技術(shù)的可行性和可靠性，但未對閃電的光學(xué)特性、譜段選擇及試驗驗證等進(jìn)行詳細(xì)研究。

文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了美國靜止軌道閃電成像儀LMS的設(shè)計方案，文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了歐洲MTG衛(wèi)星的閃電成像儀LI的光學(xué)設(shè)計方案，文獻(xiàn)[8-15]介紹了天基閃電探測光學(xué)儀器的性能評價與性能驗證方法，文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]介紹了從天基探測閃電的閃電光學(xué)特性研究成果。

本文所研究的內(nèi)容是天基閃電光學(xué)探測載荷研制的基礎(chǔ)工作——閃電光譜特性、試驗探測結(jié)果分析、探測譜段選擇與影響分析，通過地基的高壓大電流模擬放電光譜測量、自然閃電光譜測量和分析，為靜止軌道閃電光學(xué)探測載荷設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

1 閃電探測的噪聲源及信噪比分析

天基閃電探測時，閃電探測儀器選取的分辨率與閃電信號照亮云頂尺寸相匹配，天基閃電探測是點目標(biāo)探測，閃電信號信噪比SNR的定義為

式中S為閃電信號；為總噪聲，主要包括：閃電源信號的光子散彈噪聲，云層、海面與陸地等反射陽光背景信號的光子散彈噪聲，暗電流噪聲以及電路噪聲等，計算公式為

將式（2）帶入式（1），并根據(jù)閃電信號產(chǎn)生電子數(shù)S和背景信號產(chǎn)生電子數(shù)B，可得閃電信號信噪比，即式（5）

從式（5）可得，影響閃電探測SNR主要原因是閃電源與背景面積、光學(xué)系統(tǒng)性能（透過率，帶寬Δ，F(xiàn)數(shù)#、探測器性能、源與背景輻射、脈沖分裂因子）和其他噪聲因子等幾方面。

2 閃電光譜與云地背景光譜特性研究

白天，云層、陸地、海洋和綠色植被的反射陽光背景非常強(qiáng)烈，根據(jù)國內(nèi)外探測與研究，厚積云反射率在90%~98%以上，而閃電絕大多數(shù)發(fā)生有云區(qū)域，此時反射的陽光背景強(qiáng)度是閃電信號100倍以上，白天閃電信號被強(qiáng)反射陽光背景掩蓋，探測極端困難。最為有效方法是選取合適的探測譜段和帶寬，從而達(dá)到有效抑制背景信號，使得閃電信號與背景信號具有可比性。

2.1 閃電產(chǎn)生機(jī)理

閃電產(chǎn)生于強(qiáng)對流云或?qū)α髟葡?。?dāng)溫暖、潮濕的空氣通過云層時，形成雨滴和冰，冰的運(yùn)動導(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。電磁輻射的范圍從超低頻無線電波一直到X射線，最強(qiáng)的輻射區(qū)之一集中在光學(xué)波長內(nèi)，具有100~1 000MW的峰值功率。雷暴發(fā)生時，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 000K），從而導(dǎo)致大氣氣體離解、激勵和復(fù)合，以致其光學(xué)輻射主要以離散的原子譜線出現(xiàn)。

2.2 閃電光譜特性

研究表明，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777.4nm處的OI（1）譜線（氧的原子譜線）和868.3nm處的NI（1）譜線（氮的原子譜線），該處光譜輻射始終具有最強(qiáng)輻射特征，OI（1）譜線中777.4nm附近的三條特征譜線輻射亮度最大，如圖1所示。同反射陽光背景在該譜段輻射能量具有可比性，OI（1）譜線能量相當(dāng)于陽光背景的0.01~1 000倍。

2.3 我國閃電光譜特性研究現(xiàn)狀

由于國內(nèi)閃電研究主要集中在電場、磁場等方面，地基閃電探測主要以雷達(dá)探測為主，尚無閃電信號的光學(xué)特性研究及相關(guān)數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星閃電成像儀是我國首次開展的空間閃電光學(xué)探測，無相應(yīng)研究成果支撐。

國外公開的閃電光譜及帶寬等數(shù)據(jù)在不同文獻(xiàn)中具有較大差異，為保證我國閃電成像儀研制成功，必須確保采用的光譜譜段和帶寬準(zhǔn)確無誤，進(jìn)行了大量的實驗室模擬閃電、自然界真實閃電的光譜探測與分析工作，在上海防雷中心、上海交通大學(xué)雷電實驗室、陽江、北京、上海等地進(jìn)行了200多次閃電信號光學(xué)性能探測研究工作，本章節(jié)重點分析模擬閃電、自然界真實閃電的光譜探測結(jié)果。

圖1 NASA U-2飛機(jī)探測的閃電光譜

2.3.1 人工模擬閃電光譜探測結(jié)果

2012年4月至5月在上海交通大學(xué)進(jìn)行了人工模擬閃電光譜探測，多次成功采集到完整閃電光譜，其中2次結(jié)果如圖2所示。

試驗采集到的閃電光譜特征主要集中在650~900nm范圍內(nèi)，與美國公布的閃電特征光譜范圍267[6]基本相同，如圖3所示。

圖2 試驗獲取的人工模擬閃電光譜

圖3 采集到的閃電光譜與國外資料對比（650~900nm）

2.3.2 自然閃電光譜探測結(jié)果

2013年7月至8月在廣東陽江、上海、北京等三個地方進(jìn)行自然閃電光譜探測，在陽江獲取3次閃電光譜，在上海獲取2次閃電光譜，分析結(jié)果如圖4和圖5所示。

2.4 閃電光譜探測結(jié)果比對分析

分別選擇陽江外場閃電光譜、上海閃電光譜與交大實驗室模擬閃電觀測光譜進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖4 陽江獲取的閃電光譜

圖5 上海獲取的閃電光譜

圖6 閃電光譜探測結(jié)果比對分析

根據(jù)以上分析，實驗室模擬閃電光譜、自然界真實閃電光譜一致，且與美國公布結(jié)果相一致，閃電光譜最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在777nm附近。

2.5 閃電探測光譜譜段選擇

通過對閃電特征光譜和云層反射陽光光譜分析，閃電光譜是離散的線光譜，其光學(xué)輻射主要集中在OI（1）和NI（1）的線光譜譜段，在這兩個譜段閃電光譜能量和陽光背景具有可比性，其中OI（1）的777.4nm線光譜能量最強(qiáng)，根據(jù)探測結(jié)果分析，其能量約為閃電光學(xué)光譜總能量的15%，閃電光譜與云背景光譜強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示。

圖7 閃電光譜與陽光背景光譜之間的對比關(guān)系

圖8 閃電的OI（1）3條特征譜線細(xì)節(jié)

閃電探測時應(yīng)選取閃電光譜中能量和云背景能量具有最大可比性的譜段，探測譜段應(yīng)能包含最強(qiáng)閃電能量的閃電光譜，同時盡可能的抑制能量強(qiáng)大、均勻且連續(xù)的云背景，使得閃電信號在去除背景后能夠滿足探測率90%的性能要求，經(jīng)綜合分析和計算，最終選擇了OI（1）的777.4nm的探測譜段。

2.6 閃電探測光譜帶寬選擇

圖9 超窄帶濾光片中心波長角度漂移狀態(tài)下閃電的3條特征譜線透過率

綜合實現(xiàn)OI（1）的3條特征譜線在0°~3.2°入射角情況下均具有較高通過率、盡可能的抑制背景信號，并結(jié)合大口徑超窄帶濾光片的研制難度和生產(chǎn)工藝，選取了中心波長為777.4nm、帶寬為0.9nm的探測譜段。

2.7 超窄帶濾光片研制結(jié)果

經(jīng)過攻關(guān)，解決了超窄帶濾光片設(shè)計和研制的諸多關(guān)鍵技術(shù)，獲得了滿足靜止軌道FY-4閃電成像儀的使用要求的超窄帶濾光片（有效通光直徑145mm、帶寬0.9nm、中心波長777.4nm），實測光譜測試曲線如圖10所示，其中中心、58mm A、58mm B、58mm C、58mm D是超窄帶濾光片上不同位置的中心波長與帶寬測試結(jié)果，測試結(jié)果表明該濾光片均勻性較好。角度漂移曲線如圖11所示，測試結(jié)果表明中心波長角度漂移滿足0.4nm的要求。

圖10 超窄帶濾光片中心波長與帶寬測試結(jié)果

圖11 中心波長角度漂移測試曲線

2.8 超窄帶濾光片在軌應(yīng)用情況

裝載中心波長為777.4nm、帶寬0.9nm超窄帶濾光片的FY-4閃電成像儀按計劃完成了研制，已于2016年12月11日發(fā)射，12月18日準(zhǔn)確入軌，定點于東經(jīng)99.5°，此后閃電成像儀開機(jī)開始24h工作，通過在軌試驗驗證，閃電成像儀所采用閃電探測光譜能夠?qū)崿F(xiàn)有效濾除背景影響，使得閃電信號與云層反射的陽光背景具有可比性，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同強(qiáng)度閃電實時探測。

3 結(jié)論

閃電探測采用的探測光譜（中心波長為777.4nm，帶寬1.0nm）對閃電探測信噪比SNR影響較?。ㄆ钤?%以內(nèi)），能夠滿足在靜止軌道探測閃電的性能要求，使其達(dá)到90%的閃電探測率，同時兼顧了超窄帶濾光片設(shè)計與制造的合理性可行性。經(jīng)在軌試驗驗證，閃電成像儀所采用閃電探測光譜譜段及帶寬能夠?qū)崿F(xiàn)有效濾除背景影響，使得閃電信號與云層反射的陽光背景具有可比性，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同強(qiáng)度閃電實時探測，具備對強(qiáng)對流天氣過程的完整監(jiān)測和跟蹤能力。FY-4閃電成像儀將為我國航天、航空、航海及其國民生產(chǎn)生活提供短時、實時的閃電預(yù)報預(yù)警，具有廣泛的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，將產(chǎn)生顯著的社會效益。

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Spectral Band Selection and Influence Analysis for Lightning Optical Detection for the Geostationary Meteorological Satellite

BAO Shulong1,2CHEN Qiang3ZHANG Zhiqing4TANG Tianjin1,2ZHAO Xuemin1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）（3 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201100, China）（4 National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081, China）

Lightning is produced by severe convective clouds or systems, which is a tracer of severe convective weather. The Geostationary Lightning Mapper achieves instantaneous lightning signal intensification and detection from geostationary orbit by using the differences between the lightning signal and the slowly changing background noise such as that of cloud, land and ocean, combining three methods, i.e. spectral filtering, spatial filtering and background noise removal between frames. Due to the lack of parameters of lightning radiation, distribution and transient characteristics of cloud top in China, one of the focuses on the design of the geostationary lightning imager is the spectral band selection and evaluation for the optical detection. At present, there is a lack of research on the optical performance of lightning and the optical detection methods both aircraft-based and space-based are rare in China. Therefore, the optical properties of artificial lightning and natural lightning are detected by spectrometer on the ground, and the obtained ground lightning spectra are then analyzed and retrieved to obtain the spectrum of space-based lightning. In this paper, we discuss the spectral band selection, simulation, calculation and test verification of the geostationary lightning imager, providing basic data and support for the development of the geostationary lightning optical detection camera.

lightning; optical detection; spectral band selection; influence analysis; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2019)03-0057-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.008

鮑書龍，男，1979年生，2012年獲西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院飛行器總體設(shè)計碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向為航天光學(xué)遙感載荷設(shè)計技術(shù)。E-mail：59604575@qq.com。

2018-09-13

國家重大科技專項工程

（編輯：劉穎）