FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

梁 华，鲍书龙，陈 强，赵学敏，李云飞

(1.北京空间机电研究所,北京 100076； 2.上海卫星工程研究所,上海 201109)

FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

梁 华1，鲍书龙1，陈 强2，赵学敏1，李云飞1

(1.北京空间机电研究所,北京 100076； 2.上海卫星工程研究所,上海 201109)

介绍了我国第一台探测闪电的空间光学遥感仪器——风云四号(FY-4)卫星装载的闪电成像仪的设计与实现。给出了空间光学闪电探测原理。FY-4A星闪电成像仪采用小F数透射光学系统，用双镜头拼接实现大视场覆盖；采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波，以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像，由实时事件处理器在积分时间内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码；采用与闪电事件一致的视场分辨率进行空间滤波，降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。研制的闪电成像仪由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒和闪电配电盒组成，设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式。FY-4A星闪电成像仪研制中突破了闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器，以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。闪电成像仪的指标与国际同类仪器相当。至目前为此在轨测试表明：该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测，具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。展望了后续我国闪电成像仪技术的发展和应用需求。

FY-4卫星； 闪电探测； 静止轨道闪电成像仪； 实时事件处理器； 闪电事件； 光谱滤波； 空间滤波

0 引言

闪电与产生强降雨的雷暴气象现象有密切联系，通过观测闪电，可对雷雨的分布、变化、定位，以及规模大小的确定等有极大的帮助。在地球静止轨道实现对地的闪电观察，具有覆盖范围广、时间分辨率高、闪电探测概率高等优点，是目前各国竞相发展的闪电探测方式。在闪电现象的研究与探测领域，美国起步最早，研究的深度和广度处于世界领先地位，而其它在闪电研究中投入较多的有日本和欧洲国家等。

从20世纪50年代起，人类开始了在闪电上端对闪电的光学观察。卫星是获得全球闪电观察的理想平台，1994年美国发射了第二代空间闪电光学探测设备(OTD)，这是一个专门为闪电观测研制的设备。1997年发射的TRMM卫星携带的LIS是在OTD的基础上改进的更先进闪电探测仪器[1-5]。OTD，LIS均属于低轨卫星载荷，OTD于2000年退役，LIS目前在轨正常工作。NASA原计划在2003年发射的GOES-O静止轨道气象卫星上搭载闪电探测仪(LMS)，以实现静止轨道闪电探测的高时间分辨率和高探测效率，因研制计划发生变化，LMS调整为下一代的静止轨道GOES-R卫星上的GLM(Geostationary Lightning Mapper)，已于2016年11月发射，目前在轨工作正常。同期欧洲正在研制第三代静止轨道地球观测卫星(MTG)上的闪电成像仪(LI)[6]。LI是欧洲的第一颗静止轨道闪电探测的光学载荷，也是欧洲的第一个闪电探测的光学载荷，预计2017年下半年发射。FY-4A星闪电成像仪是我国研制的第一个静止轨道闪电探测的光学载荷(也是第一个闪电探测的光学载荷)，是与美国、欧洲同步研制的3个静止轨道光学探测闪电类载荷之一，已于2016年12月11日发射，目前在轨工作正常。除视场覆盖区为中国及周边区域外，FY-4A星闪电成像仪的其他指标与欧洲MTG的LI和美国GOESR的GLM基本一致[7]。

OTD，LIS是极轨卫星的闪电光学探测载荷，其观测范围极其有限，LIS对视场范围内同一地点观测时间仅91 s，探测到的闪电是该地区全年闪电中的极小部分，无法实现对同一地区闪电的全面、实时监测、跟踪和预警。静止轨道闪电光学探测采用凝视的方式实现同一地区闪电的连续、实时探测，是闪电探测最有效的手段[8]。FY-4A星闪电成像仪是FY-4卫星的主要有效载荷之一，可为中国大陆及其周边地区强对流天气现象观察、预报和研究提供必需的科学数据。由于重大军事行动等与闪电等强对流天气现象有密切的关系，通过对闪电现象的实时观察、闪电预报，可为重大军事行动提供参考。FY-4卫星闪电成像仪的任务是在地球静止轨道对强对流天气现象实时观察，可为闪电预报和全球气候变化研究提供依据，为中国大陆及其周边地区强对流天气现象观察、预报和研究提供必需的科学数据，为全球大气循环等研究提供科学依据。功能要求有实现闪电成像观测，获取观测覆盖区范围内的闪电分布图；通过对闪电进行实时、连续的观测，实现对强对流天气的监测和跟踪，提供闪电灾害预警。本文对FY-4卫星闪电成像仪的设计与实现进行了研究。

1 闪电探测原理与分析

闪电产生于强对流云或对流云系。当温暖、潮湿的空气通过云层时，形成雨滴和冰，冰的运动导致摩擦起电。电能的骤然释放产生闪电，所释放的电能快速加热闪电通道周围的气体产生冲击波和电磁辐射。冲击波迅速衰变为声波，即雷声。电磁辐射的范围从超低频无线电波至X射线，最强的辐射区之一集中在光学波长内，峰值功率可达100～1 000 MW。对流云和积雨云中发生的这种雷电交加的激烈放电现象称为雷暴，闪电已成为这种灾害性天气的“示踪器”。雷暴发生时，强大的电能量瞬间释放将闪电通道周围气体迅速加热，产生高温高压(电子温度>20 000 K)，从而导致大气气体离解、激励和复合，以致其光学辐射主要以离散的原子谱线出现，在较短的波长处才具有一些连续光谱。NASA U-2飞机的测量证明，在云顶光学光谱中最强的辐射特征产生于近红外区的中性氧和中性氮的光谱线，即777.4 nm处的OI(1)谱线和868.3 nm处的NI(1)谱线，该处光谱辐射始终具有最强辐射特征[9]。NASA U-2飞机探测的闪电光谱如图1所示。闪电的OIII的三条特征谱线如图2所示。

图1 NASA U-2飞机探测的闪电光谱Fig.1 Lightning spectrum detected by U-2 plane of NASA

图2 闪电的OIII的三条特征谱线细节Fig.2 Three characteristic spectrum lines of lightning OIII

因国内尚无空间观测的闪电光谱数据，也没有地面闪电观测的光谱数据，为获取闪电目标的光谱特性，基于国内现有的试验与测试条件，采用地基的人工模拟闪电光谱探测、真实闪电光谱探测。欧美的相关研究表明：云闪和地闪的光谱特征差异较小，可认为地面测得的云对地闪电与云顶的闪电光谱基本一致。因此，由地基闪电光谱探测试验能有效确定闪电探测的光谱选择。

2012年4～5月进行了实验室人工模拟闪电光谱探测，成功采集到完整闪电光谱2次。2013年7～8月在广东阳江、上海、北京等三地进行自然闪电光谱探测，在阳江获取闪电光谱3次，在上海获取闪电光谱2次。分别选择阳江外场闪电光谱、上海闪电光谱与实验室模拟闪电观测光谱进行叠加对比，并与美国公布的闪电光谱特征谱线峰值位置进行对应分析，结果如图3所示。

图3 闪电光谱探测结果比对分析Fig.3 Different lightning detection results

由图3可知：实验室模拟闪电光谱、自然闪电光谱及与美国公布资料一致，闪电光谱最强特征峰出现在777 nm附近，多次获取的闪电光谱主要特征峰一致性较好。分析发现，采用中心波长777.4 nm、带宽1 nm的滤光片，能使闪电信号的强度相对太阳光的云层反射强度比增强至1∶150。

静止轨道上闪电探测是从云上对闪电进行探测，关注的是闪电信号云上的光学特性。白天，闪电信号常被云层、陆地、海洋和绿色植被的强反射阳光背景噪声掩盖，致使白天探测闪电信号极为困难，唯一的方法是对亮背景中的闪电信号进行增强与极值化处理。可利用闪电信号与背景噪声的时间、空间和光谱特性存在的较大差异，采用光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧-帧背景去除等方法的组合实现瞬态多点源目标闪电信号的增强与探测[10]。

目前，国际上的闪电探测仪器包括美国低轨的LIS与OTD，静止轨道的GLM，欧洲的静止轨道LI，以及中国的静止轨道闪电成像仪，闪电探测的原理基本一致，如图4所示。

图4 空间光学闪电探测原理Fig.4 Detection principle of spatial optical lightning

2 闪电成像仪设计与实现

2.1技术途径

基于闪电探测原理，根据闪电成像仪的任务需求及各部组件的研制能力，确定了闪电成像仪的技术参数和实现途径。

闪电成像仪采用小F数透射光学系统，用双镜头拼接实现大视场覆盖；采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波，以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像，由实时事件处理器在2 ms内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码，每帧输出闪电事件120个(不足补0)。针对闪电事件的大小，采用与闪电事件一致的视场分辨率(星下点分辨率7.8 km)进行空间滤波，降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。

2.2闪电成像仪组成

闪电成像仪主要由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒，以及闪电配电盒4部分组成，如图5所示。其中：闪电成像仪主体完成入射信号的光电转换和模拟信号至数字信号的转换；闪电信息处理盒实现闪电帧帧背景去除和闪电探测提取的算法；闪电管理与温控盒实现相机的测控管理和温控功能；闪电配电盒实现二次电源配电功能。

闪电信息处理盒的关键电路是实时事件处理器(RTEP)，实现闪电探测算法，即接收焦面组件输出的数字信号，完成多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码，从缓慢变化的背景中提取出闪电信号。探测算法的实现由FPGA完成。由于闪电成像仪探测的是闪电事件，闪电事件探测为逐元进行，针对像素i的信号处理如图6所示。

研制的闪电成像仪如图7所示。

2.3工作模式设置

根据在轨使用需求，闪电成像仪设置了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种功能。针对3种功能要求，设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式，分别对应完成闪电成像仪的3种功能。

a)闪电探测

闪电成像仪以2 ms采样间隔进行闪电探测，并获取背景图像，将闪电信号和选取的区域背景信号共同编码输出。

b)地标观测

进行不同积分时间[帧周期为2，4，8，10，20，40，80 ms中的一种，积分时间对应为相应帧周期减0.2 ms(可上注更改)]的地物成像，以便通过对地物目标的识别进行闪电成像仪光轴标定。该模式下不进行闪电探测，只传输原始背景信号。

c)FPGA程序上注

在确定需要对FPGA程序进行更改时，闪电信息处理盒停止闪电探测或地标观测模式对信号的处理，分包接收地面上注的FPGA程序数据，进行RTEP的FPGA重新配置。

图5 闪电成像仪组成Fig.5 Composition of geostationary lightning imager

图6 针对像素i的闪电信号探测处理流程Fig.6 Processing flowchart of pixel i for lightning signal

图7 闪电成像仪实物Fig.7 Geostationary lightning imager

FY-4卫星闪电成像仪是我国第一次研制的在静止轨道探测瞬态点源目标闪电信号的星载仪器，且由于我国在闪电的光学探测、高帧频大动态探测器、实验室标定验证等领域的研究尚属空白，该载荷研制难度较大。研制中的关键和新技术有闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器，以及闪电成像仪实验室标定与验证。

2.4.1 超窄带滤光片

窄带滤光片是提取闪电特征信号的关键。窄带滤光片要求中心波长777.4 nm，带宽1 nm，光谱透过率尽可能高，重点是保障空间环境中窄带滤光片的长期稳定。通过对闪电成像仪光学系统设计、超窄带滤光片仿真分析、角漂影响分析、极限温度分析、可靠性试验等，对超窄带滤光片技术指标和性能参数的合理性进行综合分析，突破了高稳定度超窄带滤光片的温控、测试等技术。在大口径高稳定度超窄带滤光片使用前，进行了可靠性、环境适应性和控制保障等工作，在不同温度、气压等环境中对带宽、中心波长漂移等性能进行测试，获得了准确的测试数据，为轨道环境中大口径高稳定度超窄带滤光片应用提供更准确的应用数据，使大口径高稳定度超窄带滤光片的环境控制更准确有效。

2.4.2 高帧率CCD器件

白天需在亮背景中进行闪电探测且闪电信号持续时间较短，对探测器的帧频、动态范围、噪声水平、量子效率的要求较高，可直接决定闪电成像仪对闪电信号的探测能力及探测率。研制初期，国内尚无成熟产品，经国内厂家的技术攻关，优化探测器输出设计，增加抗渐晕结构，加大投片量，进行在线优化筛选，对获得的器件进行抗辐照、长寿命等试验，研制了满足闪电成像仪需求的探测器。

2.4.3 实时事件处理器

实时事件处理器是闪电成像仪的核心部件，实现背景评估与去除、闪电信号阈值确定、闪电信号识别、闪电信号编码等，其性能直接决定了闪电信号能否获得。多帧背景评估要求尽可能真实地还原出真实背景，尽可能降低闪电信号对背景信号的污染和背景评估值对闪电信号的污染，同时背景评估值还要能快速响应背景的变化。阈值的设置直接关系闪电信号的提取，正确设置需随背景变化而不断改变的阈值，确保闪电事件的准确提取。参考国外的资料，对闪电事件提取算法的各参数进行研究分析，确定了评估算法，以及加权系数、使用帧数、阈值确定等关键参数，完成了探测算法的软硬件实现。

根据第一次全国水利普查水土保持情况普查成果，京津冀土壤侵蚀面积50534km2，占土地总面积的24%。以水力侵蚀为主的面积45 573km2，主要分布在燕山山区、太行山山区；风力侵蚀的面积4 961km2，主要分布在河北省坝上高原地区，见表1。

2.4.4 试验室标定与验证

标定与验证包括系统性能的标定、闪电探测率和虚警率的验证。难点是由于闪电发生的随机性、地面观察与在云层上方观察的不一致，导致闪电成像仪的核心技术指标不能由地面对闪电成像验证。针对亟需解决的技术难题和所需设备，通过比对分析国外相关资料，并结合国内研究成果，形成实验室标定与验证实施方案，研制了专门的闪电场景模拟和验证系统，有效进行了FY-4卫星闪电成像仪闪电探测性能的试验验证，为相机交付和发射提供参考。

2.5国际对标

闪电成像仪与国外同类仪器的技术指标对比见表1。由表1可知：我国的静止轨道瞬态闪电成像仪性能与国外同类产品相当。

3 在轨测试

FY-4A星发射后，按在轨测试细则和在轨测试大纲要求，开展各种观测模式、各项功能和性能的在轨测试。闪电成像仪闪电探测性能需在轨经过一个长周期的观测、统计、比对等后进行评价。在轨测试的部分初步成果和结论如下。

表1 闪电信号探测仪器性能参数

3.1地标观测模式成像结果

闪电成像仪在轨开机后，切换到地标观测模式可获得各种不同积分时间的成像图。闪电成像仪积分时间分别为2，4 ms时FY-4A星调头前闪电成像仪观测的澳大利亚西海岸区域成像结果分别如图8、9所示。其中：图8、9的成像时间均为2016年12月19日 07：12～07：16(世界时(UTC))。2017年2月13日积分时间2 ms时24 h的成像结果如图10所示。

图8 闪电成像仪积分时间2 ms成像结果Fig.8 Imaging results of GLI with integral time 2 ms

由上述地标成像结果可知：

a)白天地物和云层的图像清晰、云层层次分明、动态范围大，海岸线等特征目标可用于定位。

b)通过地标成像模式参数调整改变图像动态范围。经测试发现，白天积分时间2，4 ms合适；白天高亮云层在积分时间8 ms及以上时出现饱和；夜间积分时间2～80 ms均无有效响应，观测不到图像。

图9 闪电成像仪首次开机积分时间4 ms成像结果Fig.9 First imaging results of GLI with integral time 4 ms

3.2闪电探测模式成像结果

2017年2月13日09：35～15：34(UTC)澳大利亚Swan Valley地区发生一次强雷暴全过程。FY-4星闪电成像仪闪电探测成功捕获到这次强雷暴过程。4个时间段统计的闪电成像仪闪电事件观测数量如图11所示。4个时间段的闪电事件与背景如图12所示。

2017年3月29日，FY-4星闪电成像仪探测到我国贵州、广州和越南北部闪电，如图13所示。经与地面站探测结果比对，时间、位置均吻合。

从闪电探测结果可知：闪电探测模式能实现对不同强度闪电事件实时探测；闪电成像仪具备对一次强对流过程进行完整监测和跟踪能力。

图10 地标模式积分时间2 ms的24 h成像结果Fig.10 24 h imaging results of landmark observation mode with integral time 2 ms

图11 FY-4A星闪电成像仪探测到的2017年2月13日 澳大利亚西部Swan Valley地区强雷暴过程Fig.11 Severe thunderstorm process in Swan Valley in Australia on Feb. 13, 2017 observed by FY-4A GLI

图12 FY-4A星闪电成像仪探测到的2017年2月13日 澳大利亚西部Swan Valley闪电事件与背景Fig.12 Lightning events in Swan Valley in Australia on Feb. 13,2017 observed by FY-4A GLI and its background

图13 2017年3月29日15：48中国及越南闪电的FY-4A 星闪电成像仪探测结果与地基网监测结果Fig.13 Lightning events in China and Vietnam at 15: 48 on Apr. 29, 2017 observed by FY-4A GLI and ground network

经多次对大陆地区闪电探测仪观测的数据与闪电地基网的比对，闪电成像仪探测结果与地基网数据基本吻合。后续将持续监测雷暴过程和对比星地观测数据，检验和验证闪电成像仪闪电探测率。

4 闪电成像仪发展展望

根据静止轨道闪电探测的特点，闪电成像仪通过光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧背景去除结合的途径实现闪电探测，通过双镜头拼接实现视场覆盖，完成了FY-4A星闪电成像仪的研制，发射后在轨稳定正常运行。经在轨初步测试，该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测，具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。闪电成像仪在轨数据可为我国的强对流天气预报提供有力支撑。

目前在静止轨道运行的闪电成像仪有美国的GOES-R卫星的GLM，FY-4A星闪电成像仪是第二个在轨运行的静止轨道闪电探测仪器。欧洲的(MTG)上的LI尚在研制中，目前还未发射。GLM，LI均是全圆盘观测，FY-4A星闪电成像仪观测范围是中国大陆及部分周边海域，除观测范围小外，其他指标与国外同类产品水平相当。

FY-4A星闪电成像仪的视场为4.98°×7.47°，不具调头功能，在卫星调头时不能实现中国及周边区域的连续实时闪电探测。为满足我国气象应用需求，需对全圆盘闪电进行24 h不间断的实时探测，获取图像产品和闪电探测产品，更好地实现我国强对流灾害天气的实时、即时预警预报，为我国长期气象数值预报提供数据，同时更好地为航空航天航海等提供短时、实时预报服务。下一代闪电成像仪将在FY-4A星研制的基础上进行功能、性能大幅升级换代，将与国际最高水平一致。因视场扩大和数据量的大幅增加，大视场光学系统、高帧率大动态探测器、大口径超窄带滤光片、实时事件处理器的能力和规模及速率等要求远高于FY-4A星的闪电成像仪，需突破全圆盘观测重点观测区域可调的点目标闪电探测总体、大口径高透过率超窄带滤光片在轨应用保障、高帧率低噪声大面阵探测器、集成式高速星上实时事件处理等关键技术，为相机研制提供技术基础，满足国家的需求。

5 结束语

本文介绍了FY-4A星闪电成像仪的工作原理、软硬件实现方法，给出了其在轨测试成果，以及与国外同类产品的性能比较，并对闪电成像仪的后续发展进行了展望。FY-4A星闪电成像仪的在轨运行，填补了我国在闪电探测遥感器领域的空白，可实现我国雷电、强对流天气的实时监测，将闪电探测结果与云图叠加，可实现对闪电灾害、强对流天气的短时、实时预警预报，降低雷电、强对流天气对我国航空、航天、航海、交通运输、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信等领域的危害。目前，FY-4A星闪电成像仪在轨测试已取得初步成果，但其在轨数据分析和评价还有待于更多数据的积累，以进一步对该闪电成像仪的性能进行验证。FY-4A星闪电成像仪的覆盖范围为中国大陆地区，在卫星调头时不能实现中国及周边区域的连续实时闪电探测，后续闪电成像仪的发展方向将是全圆盘闪电探测。FY-4A星闪电成像仪的研制为后续全圆盘闪电成像仪研制提供了坚实的基础。

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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 华(1975—)，女，高级工程师，主要研究方向为遥感器总体技术。

P427.321

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