FY-2E扫描辐射计云图受月球干扰的影响

陈博洋 冯小虎

(国家卫星气象中心，北京 100081)



FY-2E扫描辐射计云图受月球干扰的影响

陈博洋*冯小虎

(国家卫星气象中心，北京 100081)

针对2012年3—12月FY-2E气象卫星云图出现4次明显的白色亮带异常状况，分析4个红外通道白色亮带出现的原因和影响机理。根据异常白色亮带出现的时间、亮带区域内的内容及亮带过后数据序列的特点，确定是月球出现在卫星视场外左侧临近区域引起的异常情况。以FY-2E气象卫星观测模式分析月球干扰云图的机理和过程，月球通过直流恢复导致云图中出现白色亮带，基于FY-2E气象卫星工作参数定量计算月球干扰云图的准确时间，确认在2012年3月—2013年1月FY-2E气象卫星共有12次受到月球干扰，而业务系统仅发现4次。根据异常数据分析干扰时间的计算精度，确认卫星的电子学随机误差和月球天平动是引起计算精度的重要原因。重新发现的异常云图显示了对月球干扰现象分析的合理性以及对干扰事件过程的计算准确性，有助于数据用户对FY-2E气象卫星云图的准确认识与应用。

静止气象卫星； 直流恢复； 月球天平动

引 言

对地遥感卫星用于从太空中观测地球目标，帮助人类获取更多有效信息，由于工作环境恶劣等因素，遥感卫星图像中常常出现很多异常状况，且异常状况具有多样性、独特性的特点，因此，处理难度很大，引起的数据异常影响广泛。

FY-2系列静止气象卫星是我国唯一在轨长期业务运行的静止轨道成像卫星，业务运行期间出现了很多异常状况，一般分为宇宙环境及自身引起的设备状态异常和特殊目标引起的观测异常两类。赵现纲等[1]对宇宙环境引起的设备状态异常进行了分析，总结了宇宙环境引起卫星状态异常的规律，但特殊目标引起的异常极其特殊以致没有合适的算法进行处理，如次镜支撑杆黑影等。

FY-2E气象卫星云图中出现异常白色亮带，韩琦等[2]对这一现象进行了分析，月球是引起这种现象的原因，但只是根据月球位置说明了事件发生的合理性，文中未见对月球干扰事件发生的时间进行准确计算，对计算精度也未见评估。本文不仅对这种异常现象的原理进行分析，进一步计算了干扰事件发生的准确时间和位置，并根据月球自身的物理特性和FY-2E气象卫星工作参数评估了时间和位置计算的精度，指出月相和FY-2E气象卫星直流恢复脉冲的抖动是影响计算精度的关键因素。

1 FY-2E气象卫星云图受月球干扰现象及分析

2012年3月7日FY-2E气象卫星地面系统业务值守人员发现03：00(世界时，下同)的红外卫星云图第400行位置出现了一条明显的水平白色亮带，图1是4个红外通道的云图，图中亮带宽度约为50行，这一异常现象在4个红外通道相同位置同时出现，极大影响了FY-2E气象卫星红外云图质量，给云图数据用户造成了极大不便。且这一现象在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重复出现，且每次在云图中出现的位置不一样，多次给云图数据用户造成不便。

图1 2012年3月7日03:00 FY-2E气象卫星云图异常亮带(a)红外通道1，(b)红外通道2，(c)水汽通道，(d)红外通道3Fig.1 White exceptional band in full disk images at 0300 UTC 7 Mar 2012(a)IR1，(b)IR2，(c)WV，(d)IR3

针对影响云图应用的异常现象展开分析，观察白色亮带的特点：在FY-2E红外云图中的水平方向的亮带是地理东西方向，亮带宽度约50个像元左右,白色亮带在4个红外通道的相同位置同时出现；从亮带区域的纹理和正常区域的纹理的平滑连接特性看，亮带区域内是正确的观测目标，只是由于某种原因导致目标计数值发生了变化；从亮带过后的情况看，亮带过后FY-2E气象卫星恢复了正常工作，云图质量与出现亮带前完全一致。

从白色亮带特点分析，不是卫星发生了故障导致的云图异常，而是由于某种意料之外的原因影响观测才引起的现象。从亮带的独立性与亮带过后云图质量分析，卫星质量仍正常稳定。在确认某种原因引起现象的基础上，分析引起云图50个像元宽度异常的目标，以及亮带是正常目标的能量被减小的现象看，初步确定是月球出现在FY-2E气象卫星视场外左侧区域引起的过度去噪导致地球上出现了一条亮带：月球在FY-2E气象卫星视场内的大小为50个像元左右，过度去噪降低了目标的计数值(FY-2系列气象卫星红外通道图像采用反相体制，因此，降低了目标计数值在云图上表现是目标变亮)。

分析月球引起的过度去噪导致云图出现的亮带，首先要准确理解FY-2E扫描辐射计云图实现去噪的方案直流恢复，即在正常目标观测前测量不随时间变化的仪器自身辐射噪声、观测正常目标后通过减法消除噪声的过程。

1.1 直流恢复的意义

物体的红外波段辐射主要是由分子、原子的振动转动而产生的，所以任何高于绝对零度的物体均会有红外波段辐射发出[3]，红外波段光学遥感仪器的目的是接收观测目标的红外波段辐射能量[4]。仪器自身也会发出红外波段辐射[5]，这些辐射能量一样可以被红外探测器接收，但这些能量不来自于目标，是对目标能量的干扰：仪器光学组件温度越高，辐射就越大，干扰也越大[6]，FY-2E扫描辐射计红外波段自身辐射叠加在正常目标进入遥感仪器的辐射能量上，引起探测器接收能量的误差[7]，视之为观测噪声，FY-2E气象卫星采用直流恢复方式进行降噪。

1.2 FY-2E气象卫星直流恢复过程

消除仪器自身辐射的条件是准确知道仪器自身辐射的大小，FY-2E气象卫星在每一行地球观测之前都有一个直流恢复区，直流恢复区的目标是平均温度2.75 K的宇宙冷空间[8]，2.75 K的目标对FY-2E气象卫星红外通道是“全黑”的[9]，不会引起仪器的响应，此时仪器的输出完全是仪器自身辐射引起的响应：设直流恢复期间观测冷空间目标的输出信号为Vb；若进行地球成像时获取的信号为Vearth，那么图像信号Vs大小是Vearth与Vb的差值，这是FY-2系列气象卫星直流恢复的实现方法[10]。

2 月球影响FY-2E气象卫星直流恢复精度

基于前述FY-2E系列气象卫星定位模型分析，FY-2E气象卫星直流恢复受月球干扰已经可以计算，发现在1年里共发生12次干扰事件，其中业务系统只发现4次，但发生4次虚报事件，根据月球影响FY-2E气象卫星直流恢复的原理，从FY-2E扫描辐射计性能和月球目标自身的变化两方面进一步分析虚报的原因。

2.1 直流恢复抖动对计算精度的影响

FY-2E气象卫星在轨运行时每一行扫描线都以精太阳敏感器为准，通过天体运动精确计算已知太阳脉冲出现的位置与地心的相对位置ΔL[11]，通过ΔL能确定卫星观测视场[12]，直流恢复区域精度为±0.5°，直流恢复脉冲宽度精度为±0.9°，所以信号位置误差约±1.4°，而月球在FY-2E气象卫星视场内的张角只有±0.5°[13]，相当于月球会由于误差移出直流恢复区域，进而影响计算精度。直流恢复区域抖动以及直流恢复区域脉冲宽度的误差是不可避免的随机误差，是固有的不确定性。

2.2 月相对计算精度的影响

月相表示太阳-月球-观测者之间的夹角[14]，月球没有大气，所以月表温度变化迅速，低温接近零下-200℃、高温超过100℃[15]，不同月相处的月球目标对仪器观测的影响差别很大。不同月相条件的月球即使是相同的月心位置，能够引起仪器响应的区域也不同，如图2所示，不同月相导致月球“可视”区域的差别。

从以上对辐射计直流恢复抖动和月相的分析可以看出，4次虚报事件是有原因的,其中辐射计直流恢复抖动是完全不可预知的偶然现象，因此,其固有的预测误差不可避免[16]。月相变化可以通过观测时间及卫星轨道进行计算[17]，后续可根据大量月球事件统计分析月相变化导致的月球能量区差异。

图2 月相对可视区域的影响(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 月球干扰事件计算检验

基于对FY-2E气象卫星直流恢复情况的分析和月球轨道的计算，经过计算和实际数据的检验，2012年3月—2013年1月，共发生12次月球干扰事件，图3是12次干扰事件的红外图像(10.5～11.5 μm)，其中第2张和第7张圆盘图很浅的白色亮带以及第9张圆盘图出现在最下边位置的白色亮带，由人眼几乎无法判断发生了干扰事件，完全依靠预报，实际业务中只发现了12次异常事件中的4次。事实证明，直流恢复受月球干扰预报的有效性与准确性，软件可以业务化作为FY-2气象卫星业务运行异常事件预报与分析程序。

图3 2012年3月—2013年1月FY-2E扫描辐射计云图受月球干扰的影响Fig.3 Disturbances of the moon to FY-2E full disk images from Mar 2012 to Jan 2013

续图3

4 结 论

以FY-2E气象卫星观测模式和工作参数为基础，针对FY-2E气象卫星红外云图中出现的白色亮带异常情况展开研究，得到如下结论：

1) FY-2E扫描辐射计红外云图受月球干扰是月球导致仪器自身噪声估计值提高，进而使云图去噪过度，降低了地球圆盘观测区域正常目标的能量。

2) 根据建立的可视位置计算模型计算，2012年2月—2013年1月FY-2E扫描辐射计云图共发生12次月球干扰事件。

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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

国家自然科学基金项目(41375023)

陈博洋,冯小虎. FY-2E扫描辐射计云图受月球干扰的影响. 应用气象学报，2015，26(3)：364-368.

2014-09-23收到， 2015-02-16收到再改稿。

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