胡曉華，劉松濤，潘振東，石立堅

(1.中國人民解放軍61741部隊，北京 100094；

2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

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星載微光探測儀器的發(fā)展及其數(shù)據(jù)應(yīng)用

胡曉華1*，劉松濤1，潘振東1，石立堅2

(1.中國人民解放軍61741部隊，北京 100094；

2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

摘要：星載微光探測儀器可以在低照度條件下獲取可見光至近紅外譜段的云圖及地面特征資料，是監(jiān)測夜間和晨昏時段低云大霧的最有效手段。本文介紹了星載微光探測原理；綜述了國內(nèi)外星載微光探測儀器的發(fā)展歷程，對其衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點等做了詳細論述；最后總結(jié)了星載微光探測技術(shù)在低云大霧監(jiān)測、城市燈光和火情監(jiān)測、煙霧和塵埃監(jiān)測等方面的應(yīng)用，它可為我國氣象衛(wèi)星發(fā)展相近載荷起到借鑒作用，并完善和豐富我國現(xiàn)有的氣象業(yè)務(wù)觀測體系。

關(guān)鍵詞:微光探測儀器；數(shù)據(jù)應(yīng)用；星載

1引言

發(fā)生于夜間和晨昏時段等低照度條件下的低云大霧天氣，嚴重影響航空、航海、公路運輸安全[1]。此外，低云大霧對發(fā)生于夜間和晨昏時段的軍事行動也有重要影響，敵我雙方都十分關(guān)注該時段氣象條件。因此，識別云霧的發(fā)生、消散時間和擴展范圍等，對預(yù)防交通事故、維護人民生命財產(chǎn)安全、保障軍事行動等具有重要意義[2]。然而可見光成像設(shè)備需要一定的光照條件，在夜間和晨昏時段等低照度條件下因沒有足夠的反照能量而無法成像。紅外探測器利用云和地表熱輻射亮溫成像，在低照度條件下不易區(qū)分溫度接近的地表和低云大霧。高靈敏度的微光探測器，可在低照度條件下獲取可見光至近紅外譜段的云圖和地面特征資料，是監(jiān)測夜間和晨昏時段低云大霧的最有效手段[3]。

目前世界上有兩個有效載荷可用于微光云圖探測，分別是搭載于美國國防氣象衛(wèi)星(DMSP) Block上的業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)(OLS)[4]和搭載于美國“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)準備項目”(NPP)上的可見光紅外成像儀/輻射計組(VIIRS)[5]。我國只研制了可在1/4月光甚至星光照度條件下成像的微光相機工程樣機[3]。本文介紹了星載微光探測原理；對星載微光探測儀器的衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點等做了詳細論述；分析了星載微光探測技術(shù)在低云大霧監(jiān)測、城市燈光和火情監(jiān)測、煙霧和塵埃監(jiān)測等方面的應(yīng)用。

2星載微光探測原理

月光、星光和大氣輝光等微弱的“可見”光統(tǒng)稱微光[4]。微光云圖成像技術(shù)指夜間和晨昏等低照度條件下獲取可見光圖像的相關(guān)技術(shù)。星載微光探測器基本上都是對探測目標物反射的月亮/星光輻射進行探測的。

月亮本身并不是有效的發(fā)光體，它主要是反射太陽光的輻射。經(jīng)月亮反射來照射地表和云層的太陽輻射的總量取決于月相和月亮在天空中的高度。月亮的輻射并不是簡單的與照明部分成線形關(guān)系的函數(shù)，這主要是因為月表的凹凸不平而產(chǎn)生的陰影的存在，而這種陰影在滿月照射下可以被最大限度地削弱，滿月下的輻射強度大約是1/4或者3/4月相時的9倍。相較于地球來說，月亮并不是太陽輻射能量的有效反射體，它的反射率與地球比起來大約是0.07∶0.39[5]。

由于存在著許多影響月地之間輻射的因素，因而真正詳細地去闡述這個過程是十分復雜的。夏天，滿月的高度角很低，這使得滿月在天空中總是處在與太陽相反的方向，冬天，北緯45°地區(qū)正午的太陽大約在南水平線向上22°的地方，但是午夜月亮的高度角卻平均在南面水平線向上約68°。因此可以得出結(jié)論，月亮輻射在太陽輻射最弱的冬季可達到最強。在冬天，冰雪覆蓋地表的不均勻和陰影的存在會使白天可見光成像受到影響，而這些問題在晚上將會很容易得到解決，因此夜間成像也比較清晰。太陽在赤道附近的緯度間的震蕩是以年為周期，相類似地，月亮的這種緯度間的震蕩是月周期。因此在一個時期月亮的高度變化要比太陽明顯的多。這意味著，在較短的一段時期，夜間的輻射即使是在地表特征不發(fā)生變化的情況下也會有明顯的變化，同時，陰影的位置和其他地形因素也會發(fā)生變化。在南北極的夜晚，月亮會24 h都處在水平線上方，這就是極夜現(xiàn)象，對這些地區(qū)夜間成像的研究就顯得很有意義[6]。

星載微光探測技術(shù)是研究在低光照條件下景物信息的轉(zhuǎn)換、增強和應(yīng)用于空間觀察的光機電一體化技術(shù)，其成像效果與探測儀器的信號轉(zhuǎn)換、場景的照明條件及景物的反射率分布等因素有關(guān)。微光探測對成像儀器提出了更高的技術(shù)要求，如在可見光、近紅外通道有很高的探測靈敏度和動態(tài)范圍(105數(shù)量級以上)；探測通道波段不能取得太窄等。

3星載微光探測儀器的研究進展

美國從20世紀60年代開始發(fā)展國防氣象衛(wèi)星，其搭載的OLS逐步完善，實現(xiàn)了微光云圖探測的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，其夜間微光通道可獲取1/4月光照射和晨昏條件下可見光圖像，一定程度上彌補了傳統(tǒng)夜間可見光通道無法探測的缺點。美軍氣象保障人員利用OLS云圖識別云類、云型和晴空區(qū)，確定對軍事行動有嚴重影響的天氣系統(tǒng)的位置、范圍和強度，確定高空急流、槽脊位置、可能的積冰區(qū)和晴空湍流區(qū)。這些信息，對保障美陸、海、空軍的作戰(zhàn)行動、電光武器和導彈等高技術(shù)武器的使用都是十分重要的。此外，OLS還可以對夜間城市燈光和明火等實施探測[7]。

在OLS的基礎(chǔ)上發(fā)展了VIIRS，其微光通道DNB(Day/Night Band)的輻射動態(tài)范圍很大，可以達到107量級。DNB與OLS相比有以下改進：(1)減少了像元飽和情況的發(fā)生；(2)具有更小的瞬時視場，減少了空間圖像的模糊程度；(3)與其它通道共用一套光學和掃描裝置，可精確獲知各波段像元的相對定位；(4)增加輻射訂正功能，以得到更高的輻射分辨率；(5)提高空間分辨率，消除交叉像素的尺寸變化。DNB采用了與其他波段相同精度的輻射校正方法，因此可與其它通道融合使用，這是相比OLS最大的優(yōu)勢。OLS和VIIRS具體指標對比見表1。

表1　OLS和VIIRS指標對比

注：“M”表示中等分辨率(Moderate resolution)級，“I”表示成像分辨率(Imaging resolution)級。

我國目前在軌運行的氣象衛(wèi)星只能獲取白天可見光云圖和晝夜紅外云圖，沒有微光云圖成像儀。中科院上海技術(shù)物理研究所和航科集團508所都完成了微光相機的預(yù)研工作，并研制了工程樣機，可在1/4月光甚至星光照度條件下成像[3]。

3.1　OLS

OLS是DMSP上最重要和最基本的一臺遙感儀器。DMSP衛(wèi)星采用06∶00am軌道和10∶30am軌道的雙星運行體制，每6小時可提供一次全球云圖，整個衛(wèi)星系統(tǒng)一天能提供全球黎明、白天、黃昏和夜晚4個時段的觀測數(shù)據(jù)。OLS可以獲取夜間1/4月光和白天可見光云圖，以及晝夜紅外云圖，用于全天候測量云層或陸地的反射和發(fā)射特性，是美軍全球氣象中心云分析系統(tǒng)的主要信息源，也是美國國防部主要的氣象信息源。其主要特點是探測通道的寬波段、高動態(tài)范圍、微光通道以及采用擺鏡正弦掃描方式等。DMSP和OLS的外形如圖1所示。

圖1　DMSP及OLS外形圖 Fig.1　Layout of DMSP and OLS

3.1.1儀器主要技術(shù)特點

OLS的掃描輻射單元由兩個光學掃描鏡和一個光學倍增管組成。掃描鏡采用擺鏡正弦掃描成像工作模式，每條掃描線1 465個像元，可以保證掃描線上的地面分辨率基本一致。光學系統(tǒng)采用Cassegrain(卡塞格倫天線)結(jié)構(gòu)，有效口徑為203 mm，焦距為1 220 mm，掃描角為±56.25°。其主要技術(shù)特點如下：

(1)采用光學倍增管提高微光探測靈敏度。

OLS有兩個通道：可見光、近紅外通道(0.4~1.1 μm)和熱紅外通道(10.0~13.4 μm)。OLS在可見光波段有2套探測器：光學望遠鏡和光學倍增管(PMT)，光學倍增管靈敏度高，可以在微弱的月光下工作。白天使用光學望遠鏡，入瞳單位波長輻亮度為10-3~10-5W/cm2sr·μm，星下點分辨率有0.55和2.7 km兩檔；夜間使用PMT，入瞳單位波長輻亮度允許低至10-5~10-9W/cm2sr·μm，星下點分辨率2.7 km[7]。

OLS夜間微光探測通道采用的Pn結(jié)光電倍增二極管，可有效減少噪聲，并保證相應(yīng)電流與輻照功率的嚴格線形關(guān)系，工作溫度為-20 ℃。光電倍增管技術(shù)保證其微光探測通道對地球低照度目標的高靈敏度探測，可以在夜晚部分月光環(huán)境下探測云層、覆蓋、煙塵、海冰和陸地地表環(huán)境等。

由于帶寬的限制，OLS的兩個通道不能同時都達到0.55 km的分辨率，由衛(wèi)星測控人員根據(jù)季節(jié)因素和地理位置決定哪個通道采用高分辨率。一般來說，紅外通道在夜晚分辨率高，白天分辨率低，而可見光通道相反[8]。

(2)采用動態(tài)增益方法滿足大動態(tài)范圍。

為了適應(yīng)較大的光照范圍差異，OLS使用了自動增益調(diào)節(jié)，增強了接收到的夜間微光信號，這樣就可以探測較低的光線輻射，如夜間火場、熔巖流和氣體耀斑等。這些措施有效擴大了儀器在夜間成像的能力。

OLS的增益會隨著背景照度的變化進行自動調(diào)整。月球運轉(zhuǎn)周期以及月球高度不同引起背景照度的變化，最小的放大倍數(shù)出現(xiàn)在滿月時，這時的圖像類似于白天可見光波段的圖像。隨著月光照度減小，放大倍數(shù)逐漸增大，在月亮周期中月光最暗的晚上，增益系數(shù)達到最大值60 dB。然而，在夜間，上述的空間分辨率往往是很難達到的，這個問題形成的主要原因就是由于OLS掃描的瞬時視場要比傳感器實際的掃描視場大，造成了像元的交迭，降低了分辨率，使得圖像細節(jié)喪失。為了解決這個問題，采用了大量方法使得OLS傳感器瞬時視場隨著掃描角度的變化而發(fā)生變化。為了能在夜間低照度情況下成像，要求OLS傳感器有很大的動態(tài)范圍，它的最高值出現(xiàn)在測量的白天地表或云表的太陽光反照時，稍小的動態(tài)范圍允許傳感器在夜間滿月情況下測量，而動態(tài)范圍的最小值則可以使得傳感器能在部分月亮照射或是月亮的高度角比較低的情況正常成像。為了滿足動態(tài)范圍的這種大跨度，對OLS采用了動態(tài)增益的方法將觀測數(shù)據(jù)進行歸一化[5]。

3.1.2數(shù)據(jù)存儲格式及使用

從衛(wèi)星傳輸下來的資料由國家地球物理資料中心(NGDC)存檔。OLS上的數(shù)據(jù)存儲共有3種形式：(1)熱紅外探測器全天候采集的高分辨率數(shù)據(jù)；(2)白天采集的可見光高分辨率數(shù)據(jù)。其分辨率理論上可以達到0.55 km，但是因為衛(wèi)星過地面站的時間限制(一般為10 min)，不能將所有的高分辨率數(shù)據(jù)同時下傳，只能通過平滑處理，分辨率降低到2.77 km；(3)夜間平滑處理的熱紅外和可見光探測數(shù)據(jù)。在晚間可以通過高靈敏度的PMT得到平滑模式下的可見光數(shù)據(jù)。

OLS夜間微光波段是應(yīng)用中開發(fā)較少的一個載荷。原因是：(1)實時OLS數(shù)據(jù)限制于美國國防部應(yīng)用，對外開放較少；(2)OLS成像灰度級較少，可見光和微光通道圖像可被分成64灰度級(量化等級為6 bit)，紅外通道圖像則可分為256灰度級(量化等級為8 bit)，而與之相比作為標準輻射計的NOAA的AVHRR，其科學觀測數(shù)據(jù)可以分成1 024灰度級(量化等級為10 bit)；(3)OLS缺少在軌精度校準，而且輻射測量分辨率較為粗略，這就限制了其在定量環(huán)境分析上的應(yīng)用；(4)不同波段數(shù)據(jù)的分辨率不同，使得判讀產(chǎn)品較為復雜。在實際使用中，將微光通道和紅外通道的數(shù)據(jù)融合起來效果會好一些。

3.2　VIIRS

VIIRS繼承了OLS在夜晚微光探測的能力。VIIRS搭載于JPSS的試驗星NPP上，是目前最先進的星載探測系統(tǒng)。除OLS外，VIIRS還繼承、發(fā)展和集成了NOAA系列衛(wèi)星上的先進甚高分辨率輻射計(NOAA/AVHRR)以及地球觀測系統(tǒng)的中分辨成像光譜儀(EOS/MODIS)[9]。

美國政府于1994年5月批準實施國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)計劃(NPOESS)，它計劃將商務(wù)部的極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星(POES)和DMSP整合，負責向軍民雙方提供氣象信息。后來受經(jīng)費、管理等影響，NPOESS計劃于2010年2月取消，轉(zhuǎn)變成由美國國防部負責的國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)(DWSS)，以及由美國NOAA和NASA共同負責的聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)(JPSS)。JPSS的試驗星Suomi NPP衛(wèi)星于2011年10月28日成功發(fā)射，采用降軌方式運行，一天繞地運行約14圈，可以觀察地球表面兩次，衛(wèi)星的重復周期(重新回到原來位置)為16天，數(shù)據(jù)由NOAA的國家數(shù)據(jù)中心(National Data Centers)發(fā)布，其格式采用HDF5。Suomi NPP衛(wèi)星設(shè)計壽命為7年，其后的JPSS-1預(yù)計于2017年發(fā)射。

VIIRS傳感器繼承了OLS的微光夜視功能并做了進一步地優(yōu)化改進[10]。VIIRS由SeaWiFS前光學儀和全反射修正的MODIS/THEMIS后光學儀結(jié)合組成。短波段通道用一個太陽光散射體來定標；熱紅外通道用一個黑體輻射源和外太空觀測定標。VIIRS空間分辨率較高，且隨著遠離星下點位置有控制的減??；制造和運行成本較低；通道數(shù)量較多。VIIRS集成了當代最先進的觀測研究體系用來發(fā)展未來的遙感探測。圖2是NPP及VIIRS的外形圖。

圖2　NPP及VIIRS外形圖 Fig.2　Layout of NPP and VIIRS

3.2.1VIIRS儀器特征

VIIRS共有22個通道：9個可見/近紅外通道(0.4～0.9 μm)，1個白天/黑夜通道(DNB,0.7 μm)，8個短波/中波紅外通道(1～4 μm)，4個長波紅外通道(8～12 μm)。VIIRS有3個焦平面陣列(FPA)：9個可見光/近紅外通道和微光波段DNB共用1個FPA；8個短波和中波紅外通道使用1個FPA；4個長波紅外通道使用1個FPA。后兩個FPA通過輻冷控制工作溫度保持在80K。VIIRS的空間分辨率可分為“M”級和“I”級兩種，M級為740 m左右，I級為370 m左右。7個通道采用了多增益技術(shù)，這樣可以根據(jù)所拍攝地物輻射亮度的不同來自動選擇增益。具體通道指標見表2。

表2　可見光紅外成像輻射儀的通道設(shè)置

VIIRS在可見光波段探測上進行較大的改進，可以在更寬的光照等級上進行探測或成像，更精細地探測大氣、海洋、陸地表面等全球環(huán)境，形成海洋表面溫度、海洋水色分布、海冰海浪、大氣溫度濕度、覆雪植被等產(chǎn)品示例。

3.2.2VIIRS微光探測波段DNB

VIIRS繼承了OLS在夜晚微光探測的能力，在其22個探測波段中包含一個微光波段(DNB)。DNB采用250階TDI CCD探測器掃描陣列，可以探測1/4月光的目標，星下點分辨率742 m，其中心波長為0.7 μm，整個通道范圍為0.5~0.9 μm，采用了多增益技術(shù)。

VIIRS的DNB日夜型成像儀采用擺掃形式成像，其探測器采用多片器件的焦面集成實現(xiàn)了超大動態(tài)范圍的探測性能：使用不同靈敏度和不同級數(shù)的3片TDICCD分別用于夜間和晨昏成像，將整個測量動態(tài)范圍分成3段(最靈敏段、中等靈敏段、最不靈敏段)。白天成像使用的靈敏度最低的CCD，器件上加有1片35倍的中性濾光片。4片不同的CCD都集成在同一片器件上。其主要技術(shù)特點如下：

(1)采用采樣合并、像元累積的方法使空間分辨率提高且分辨率較均勻。

CCD的敏感區(qū)由多個探測像元組成，CCD使用采樣合并的方式將沿軌和跨軌各個探測像元的信號累積起來，使得在MODIS中發(fā)現(xiàn)的積分拖影現(xiàn)象有所緩解，空間分辨率得到了提高。CCD采集地面輻射場景時可調(diào)整瞬時視場角(IFOV)，將IFOV設(shè)置為儀器掃瞄角的函數(shù)，在星下點的時候IFOV稍大，到了掃描邊緣處IFOV則變小，這樣使VIIRS對地的有效探測分辨率在整個飛行軌跡都達到742 m，輸出圖像的銳度保持一致。因此，與OLS的光滑模式相比，DNB分辨率(每單位區(qū)域的像素)的提高在近天底處為14倍(VIIRS為0.74 km，OLS為2.8 km)，邊緣處為53倍(OLS為5.4 km)。分辨率為常數(shù)是以離天底時信噪比減低為代價的。但是即使在邊緣處，信噪比性能也超過了指標要求。這一改進使得刈幅邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)的觀測精度有較大提高、數(shù)據(jù)可用性得到了巨大的提升。

(2)可選擇動態(tài)增益技術(shù)使衛(wèi)星在不同光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)圖像。

DNB在軌道的陰影期和光照期都可以探測地物和大氣的可見光輻射。在一個軌道周期內(nèi)輻射能量動態(tài)范圍很大，為了滿足較高輻射分辨率的要求，DNB將探測輻射能量的變化區(qū)分為7個量級，同時以3種模式(低輻射場景模式、中輻射場景模式和高輻射場景模式)進行探測。它采用動態(tài)調(diào)整增益的方法，即高增益(對應(yīng)于低輻射場景)、中增益(對應(yīng)于中輻射場景)和低增益(對應(yīng)于高輻射場景)，增益比達到119 000∶447∶1；同時每個增益模式將所包含的輻射能量又細分為500∶1。這樣細致的劃分能夠涵蓋寬探測輻射場景能量范圍。高增益情況下的量化等級為14 bit，中增益和低增益為13 bit。DNB信息處理器將3種模式所測得的數(shù)據(jù)進行高精度的數(shù)字化處理，確保產(chǎn)品輻射的高分辨率，然后再對3個數(shù)據(jù)進行選擇，具體就是在隨后的邏輯電子調(diào)制過程中，DNB逐像素地進行選擇，對每一個像素選擇3種增益模式中感光效果最好的值，同時也是像元在這個增益模式?jīng)]有達到飽和的情況。這種探測方式要求每個象素點保持整個DNB 通道的動態(tài)范圍，才能使亮目標相對于黑暗背景的情況不會發(fā)生象素飽和。按照這種均一對比度理想化的設(shè)置數(shù)據(jù)，可以使整個場景圖像看起來像在均勻的光照條件下所成，在不同的光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)的圖像。

(3)與其它通道共用光學和掃描裝置，并采用相同精度的訂正方法。

DNB 可以看作是一個和VIIRS 的其他波段共用光學設(shè)備和掃描裝置的聚焦平面陣列，相對于單個的DNB 傳感器而言，這樣的集成設(shè)計可降低系統(tǒng)的復雜性、重量、成本和體積，同時可以精確地獲知各波段象元的相對定位，它們地理定位間的距離即使在掃描的邊緣也不會超過30 m。DNB采用了與VIIRS其他波段相同精度的訂正方法，可以定量地輻射測量并可以與VIIRS的其它光譜波段比較，這樣就保證了其在軌長壽命定量應(yīng)用，且其數(shù)據(jù)可與其它通道融合使用。

總體來說，DNB使高亮度輻射信號和低動態(tài)范圍、低SNR信號都得到了準確的復現(xiàn)；在整個掃描范圍內(nèi)都保持了0.74 km的分辨率，給夜間探測帶來更大的改善；空間分辨率的提高以及像素的增加還使圖像的成像質(zhì)量(特別是在圖像的邊緣)得到提高；可選擇動態(tài)增益使衛(wèi)星在不同的光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)的圖像，提高了圖像質(zhì)量和定量應(yīng)用的準確性；靈敏度的提高使得DNB可以在光照條件很差的情況下探測云、氣溶膠等。

4微光數(shù)據(jù)應(yīng)用進展

星載的微光探測器基本上都是對探測目標物反射的月亮輻射進行探測的。在夜間，所有反射的地球場景特征都會被收集。在圖3(a)中，云、霧、地表、雪蓋、煙/灰等都是很容易通過月光反射被識別的；光源(例如火、亮光、城市燈光、廢氣燃燒器、漁船、火山流)也會被觀測到。但是，當1/4月光或更低光照條件時，需要照明才能看到的一些現(xiàn)象將變得很難探測到，當沒有月光時將會一起消失(圖3(b)所示)[5]。微光探測器精細量化的高增益信號會提高對陸地和大氣發(fā)光源的探測能力，包括微弱的城市燈光和極光。

圖3　夜間可見光探測能力 Fig.3　Detection capabilities for visible light during nighttime

以前，OLS數(shù)據(jù)由于其本身數(shù)據(jù)的局限性多用于定性化判斷(見3.1.2)。隨著VIIRS數(shù)據(jù)的開發(fā)，微光探測數(shù)據(jù)開始在定量化應(yīng)用方面顯示出相當?shù)臐摿6]。

(1)城市燈光和火情監(jiān)測

當微光儀器用于夜間探測時，只有部分月光或滿月情況下才有足夠的光照條件探測到反射特性，而在無月的夜晚，可以得到一副反映城市燈光的圖像。自從DMSP OLS數(shù)據(jù)解密后，研究就主要集中在地球表面的人類活動燈光的描繪，尤其是城市。城市通常能夠透過云層被觀測到，盡管有時無法完全顯示。盡管在沒有月光的情況下探測微弱光亮的能力最大(增益較大)，但大多數(shù)的城市燈光是在有月光照耀的情況下觀測到的。壯觀的全球城市燈光合成圖是OLS傳感器的標志性產(chǎn)品[12]。VIIRS DNB不是專門設(shè)計用來提高燈光源圖像的。然而，因為具有更小的星下點軌跡尺寸、更高的信噪比和更高的輻射分辨率，因此可以探測到更多的光源。

OLS可能會在已知火源的情況下，基于燈光的辨別和顯示，通過排除其它光源的方法識別出夜間火情[13]。但是OLS并沒有廣泛地用于火情監(jiān)測和算法分類的研究或業(yè)務(wù)化。火情監(jiān)測更多地依賴于經(jīng)過定標的NOAA AVHRR，MODIS以及GOES圖像的多光譜數(shù)據(jù)，尤其是3.7~3.9 μm(短波紅外)之間的通道，這個通道對極端炎熱很敏感，因此可探測火情[14]。VIIRS將在短波紅外和改善的夜間可見光通道上，具有更多優(yōu)勢，將二者聯(lián)合起來能夠驗證火災(zāi)的存在，并估計其范圍和強度。

(2)塵埃和煙霧探測

OLS探測揚沙和浮塵的原理與探測云類似，但有兩個必要條件，足夠的月亮光照條件以及較厚的揚沙、浮塵厚度。但即使這兩個條件均滿足，探測結(jié)果可能仍然不太準確，這是因為地表和靠近地表空氣中的沙塵在白天可見光條件下不能很好地被分辨，在夜晚情況更為嚴重[15]。OLS夜間圖像在足夠月光條件下具有描繪強沙塵暴事實的能力，但因為反射率較弱和輻射分辨率較粗等原因，大量細節(jié)無法分辨。DNB因為具有16 384個灰度階(OLS有64階)和高空間分辨率，而且通道較多，只要有足夠的月亮照射，就能夠在夜間探測揚沙和浮塵。

(3)低云和大霧監(jiān)測

衛(wèi)星紅外通道監(jiān)測夜間低云大霧的主要問題在于云的溫度與和周圍陸地或海面比較接近，因此不易區(qū)分。夜間探測云的傳統(tǒng)方法是利用11.0和4.0 μm紅外通道亮溫差檢測低云大霧[16]。但是如果低云由大水滴組成，或者高空存在薄卷云，或者地面溫度低于凝結(jié)點[17]，那么紅外探測可能會無法識別出夜間低云。利用微光和紅外合成圖像，可以有效地識別低云大霧。采用VIIRS的算法，利用DNB和紅外波段的能力，將會更好地在夜間描述云。

(4)雪和冰的監(jiān)測

大多數(shù)可見光傳感器只能在白天監(jiān)測冰、雪[18]，限制了冬季夜晚的觀測，而這個季節(jié)在許多地區(qū)正是需要準確知道積雪覆蓋情況的時間，這個問題在冬季兩極地區(qū)的夜晚更加突出。紅外和被動微波遙感器也可以觀測到雪蓋，但紅外傳感器因為經(jīng)常無法區(qū)分雪和周圍環(huán)境而探測不到雪蓋；被動微波遙感因為分辨率太粗而不能很好地描繪出雪的邊界，其使用受到限制。微光圖像可彌補這一不足，VIIRS在軌后，DNB與長波紅外和短波紅外通道的融合產(chǎn)品，可進一步改善冰雪監(jiān)測現(xiàn)狀，提高夜間雪被的預(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)閃電和極光監(jiān)測

閃電是大氣中的強放電現(xiàn)象，與雷擊相伴，一般在雷暴天氣時出現(xiàn)，產(chǎn)生在強烈的積雨云中。衛(wèi)星圖像上，低紅外亮溫經(jīng)常用于識別雷暴，大范圍的風暴可以在紅外圖像上通過冷的亮溫特征(白色)識別出來，但是僅僅通過紅外圖像從層云中區(qū)分活躍的對流降水很困難[18]。因為卷云砧溫度相近，因此雷暴的準確位置不容易辨別。從閃電觀測資料可以給出關(guān)于雷暴的更準確的信息，但是只有建立了廣泛地面觀測網(wǎng)絡(luò)的地方才能得到閃電觀測資料。在微光圖像中可以分辨出對流線的亮條紋，條紋線通常不描述閃電本身，而是在閃電周圍地區(qū)的雷暴頂?shù)拈W爍。微光圖像可以驗證世界范圍內(nèi)活動的雷暴，尤其是遙遠地區(qū)和雷電探測網(wǎng)之外的雷暴。此外，微光探測器的工作波段覆蓋了氧原子(557.7和630 nm)和氮分子(600~700 nm)的波譜范圍，因此可用來探測極地地區(qū)極光的出現(xiàn)。

(6)夜間多種光源的探測和偵查

微光成像儀器在夜間具有的特殊探測功能，可使微光成像具有一定的偵查能力，可以發(fā)現(xiàn)鉆井平臺、船只、油氣燃燒的位置、港口燈光、燃料補給線和公路等，這些具有重要的戰(zhàn)略意義[19]。

(7)其他應(yīng)用

微光數(shù)據(jù)探測到的夜間燈光可派生出其他一些產(chǎn)品，如估算城鎮(zhèn)人口、人口密度、耗電量、國內(nèi)生產(chǎn)總值等，大量研究人員開展了諸如城市空間信息提取擴展研究、城市空間特征燈光指數(shù)構(gòu)建研究、人口密度及熱島效應(yīng)研究、經(jīng)濟發(fā)展狀況研究、電力能源消耗量研究以及城市化對生態(tài)環(huán)境影響研究等[20]。

5結(jié)束語

本文介紹了星載微光探測原理，詳細總結(jié)了星載微光探測儀器的衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點等，在此基礎(chǔ)上分析了星載微光探測技術(shù)在低云大霧監(jiān)測、城市燈光和火情監(jiān)測、煙霧和塵埃監(jiān)測等方面的應(yīng)用。隨著微光探測技術(shù)的不斷成熟和改進，星載微光探測儀器將極大地促進低照度條件下的氣象保障能力，提高各類尺度和時效氣象預(yù)報的準確率。

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胡曉華(1981—)，女，山西忻州人，博士，工程師，2001年、2004年、2007年于解放軍理工大學分別獲得學士、碩士、博士學位，主要從事微光有效載荷在氣象海洋方面的研究。E-mail:x.h.hu@163.com

劉松濤(1980—)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，2002年、2005年于解放軍理工大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事氣象海洋衛(wèi)星資料應(yīng)用方面的研究。E-mail:liusongtaocn@yahoo.com.cn

潘振東(1980—)，男，山東費縣人，學士，助理工程師，2010年于解放軍理工大學獲得學士學位，主要從事信號檢測、圖像處理方面的研究。E-mail: panzhendong@163.com

石立堅(1981—)，男，山東泰安人，博士，副研究員，2008年于中國海洋大學獲得博士學位，主要從事衛(wèi)星海洋遙感方面的研究。E-mail:shilijian@gmail.com

《發(fā) 光 學 報》

—EI核心期刊 (物理學類； 無線電電子學、 電信技術(shù)類)

《發(fā)光學報》是中國物理學會發(fā)光分會與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所共同主辦的中國物理學會發(fā)光分會的學術(shù)會刊。 該刊是以發(fā)光學、 凝聚態(tài)物質(zhì)中的激發(fā)過程為專業(yè)方向的綜合性學術(shù)刊物。

《發(fā)光學報》于1980年創(chuàng)刊， 曾于1992年， 1996年， 2000年和2004年連續(xù)四次被《中文核心期刊要目總覽》評為“物理學類核心期刊”， 并于2000年同時被評為“無線電電子學、 電信技術(shù)類核心期刊”。2000年獲中國科學院優(yōu)秀期刊二等獎。 現(xiàn)已被《中國學術(shù)期刊(光盤版)》、 《中國期刊網(wǎng)》和“萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)”等列為源期刊。 英國《科學文摘》(SA)自1999年； 美國《化學文摘》(CA)和俄羅斯《文摘雜志》(AJ)自2000年； 美國《劍橋科學文摘社網(wǎng)站》自2002年； 日本《科技文獻速報》(CBST， JICST)自2003年已定期收錄檢索該刊論文； 2008年被荷蘭“Elsevier Bibliographic Databases”確定為源期刊; 2010年被美國“EI”確定為源期刊。2001年在國家科技部組織的“中國期刊方陣”的評定中， 《發(fā)光學報》被評為“雙效期刊”。2002年獲中國科學院2001～2002年度科學出版基金“擇重”資助。2004年被選入《中國知識資源總庫·中國科技精品庫》。本刊內(nèi)容豐富、 信息量大，主要反映本學科專業(yè)領(lǐng)域的科研和技術(shù)成就， 及時報道國內(nèi)外的學術(shù)動態(tài)， 開展學術(shù)討論和交流， 為提高我國該學科的學術(shù)水平服務(wù)。

《發(fā)光學報》自2011年改為月刊， A4開本， 144頁， 國內(nèi)外公開發(fā)行。 國內(nèi)定價： 40元， 全年480元， 全國各地郵局均可訂閱。 《發(fā)光學報》歡迎廣大作者、 讀者廣為利用， 踴躍投稿。

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Progress in spaceborne shimmer detector and data application

HU Xiao-hua1*, LIU Song-tao1, PAN Zhen-dong1, SHI Li-jian2

(1.No. 61741Troop,theChinesePeople'sLiberationArmy,Beijing100094,China;

2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100094,China)

Abstract:Spaceborne shimmer detector can get satellite cloud image from visible to near-infrared wave band and the earth′s surface character data in low-light condition, and it is the most effective instrument for detecting the low clouds and heavy fog during nighttime and twilight. This paper introduces the principle of spaceborne shimmer detection. Then, it reviews the recent development of spaceborne shimmer detector in home and abroad, and describes its satellite system, instruments′ technical target, key imaging technology and data character. Finally, it discusses some applications of spaceborne shimmer technology in city light and wildfire detection, cloud and fog detection, dust and smoke detection and so on. Spaceborne shimmer technology can provide a platform for Chinese meteorologic satellite development, and could increase and broaden the method of weather observation.

Key words:shimmer imaging detector;data application;spaceborne

作者簡介：

*Corresponding author, E-mail:x.h.hu@163.com

中圖分類號：TP73

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0350

文章編號2095-1531(2015)03-0350-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.41205004)

收稿日期:2014-12-22；

修訂日期:2015-02-20