梁 華，鮑書龍，陳 強，趙學(xué)敏，李云飛

(1.北京空間機電研究所,北京 100076； 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

FY-4衛(wèi)星閃電成像儀設(shè)計與實現(xiàn)

梁 華1，鮑書龍1，陳 強2，趙學(xué)敏1，李云飛1

(1.北京空間機電研究所,北京 100076； 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

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)。給出了空間光學(xué)閃電探測原理。FY-4A星閃電成像儀采用小F數(shù)透射光學(xué)系統(tǒng)，用雙鏡頭拼接實現(xiàn)大視場覆蓋；采用高穩(wěn)定度超窄帶多腔干涉濾光片實現(xiàn)閃電信號濾波，以高速多抽頭大光敏元CCD器件為敏感元件獲取閃電與背景圖像，由實時事件處理器在積分時間內(nèi)按像元完成焦面數(shù)據(jù)的多幀背景評估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼；采用與閃電事件一致的視場分辨率進行空間濾波，降低云層、陸地和海洋等背景信號對閃電信號的影響。研制的閃電成像儀由閃電成像儀主體、閃電信息處理盒、閃電管理與溫控盒和閃電配電盒組成，設(shè)計了閃電探測、地標(biāo)觀測和FPGA程序上注三種工作模式。FY-4A星閃電成像儀研制中突破了閃電成像儀分系統(tǒng)總體、超窄帶濾光片應(yīng)用、高幀率CCD器件、實時事件處理器，以及閃電成像儀實驗室標(biāo)定與驗證等關(guān)鍵技術(shù)。閃電成像儀的指標(biāo)與國際同類儀器相當(dāng)。至目前為此在軌測試表明：該閃電成像儀能實現(xiàn)對不同強度閃電事件實時探測，具備對強對流天氣過程完整監(jiān)測和跟蹤能力。展望了后續(xù)我國閃電成像儀技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求。

FY-4衛(wèi)星； 閃電探測； 靜止軌道閃電成像儀； 實時事件處理器； 閃電事件； 光譜濾波； 空間濾波

0 引言

閃電與產(chǎn)生強降雨的雷暴氣象現(xiàn)象有密切聯(lián)系，通過觀測閃電，可對雷雨的分布、變化、定位，以及規(guī)模大小的確定等有極大的幫助。在地球靜止軌道實現(xiàn)對地的閃電觀察，具有覆蓋范圍廣、時間分辨率高、閃電探測概率高等優(yōu)點，是目前各國競相發(fā)展的閃電探測方式。在閃電現(xiàn)象的研究與探測領(lǐng)域，美國起步最早，研究的深度和廣度處于世界領(lǐng)先地位，而其它在閃電研究中投入較多的有日本和歐洲國家等。

從20世紀50年代起，人類開始了在閃電上端對閃電的光學(xué)觀察。衛(wèi)星是獲得全球閃電觀察的理想平臺，1994年美國發(fā)射了第二代空間閃電光學(xué)探測設(shè)備(OTD)，這是一個專門為閃電觀測研制的設(shè)備。1997年發(fā)射的TRMM衛(wèi)星攜帶的LIS是在OTD的基礎(chǔ)上改進的更先進閃電探測儀器[1-5]。OTD，LIS均屬于低軌衛(wèi)星載荷，OTD于2000年退役，LIS目前在軌正常工作。NASA原計劃在2003年發(fā)射的GOES-O靜止軌道氣象衛(wèi)星上搭載閃電探測儀(LMS)，以實現(xiàn)靜止軌道閃電探測的高時間分辨率和高探測效率，因研制計劃發(fā)生變化，LMS調(diào)整為下一代的靜止軌道GOES-R衛(wèi)星上的GLM(Geostationary Lightning Mapper)，已于2016年11月發(fā)射，目前在軌工作正常。同期歐洲正在研制第三代靜止軌道地球觀測衛(wèi)星(MTG)上的閃電成像儀(LI)[6]。LI是歐洲的第一顆靜止軌道閃電探測的光學(xué)載荷，也是歐洲的第一個閃電探測的光學(xué)載荷，預(yù)計2017年下半年發(fā)射。FY-4A星閃電成像儀是我國研制的第一個靜止軌道閃電探測的光學(xué)載荷(也是第一個閃電探測的光學(xué)載荷)，是與美國、歐洲同步研制的3個靜止軌道光學(xué)探測閃電類載荷之一，已于2016年12月11日發(fā)射，目前在軌工作正常。除視場覆蓋區(qū)為中國及周邊區(qū)域外，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀的其他指標(biāo)與歐洲MTG的LI和美國GOESR的GLM基本一致[7]。

OTD，LIS是極軌衛(wèi)星的閃電光學(xué)探測載荷，其觀測范圍極其有限，LIS對視場范圍內(nèi)同一地點觀測時間僅91 s，探測到的閃電是該地區(qū)全年閃電中的極小部分，無法實現(xiàn)對同一地區(qū)閃電的全面、實時監(jiān)測、跟蹤和預(yù)警。靜止軌道閃電光學(xué)探測采用凝視的方式實現(xiàn)同一地區(qū)閃電的連續(xù)、實時探測，是閃電探測最有效的手段[8]。FY-4A星閃電成像儀是FY-4衛(wèi)星的主要有效載荷之一，可為中國大陸及其周邊地區(qū)強對流天氣現(xiàn)象觀察、預(yù)報和研究提供必需的科學(xué)數(shù)據(jù)。由于重大軍事行動等與閃電等強對流天氣現(xiàn)象有密切的關(guān)系，通過對閃電現(xiàn)象的實時觀察、閃電預(yù)報，可為重大軍事行動提供參考。FY-4衛(wèi)星閃電成像儀的任務(wù)是在地球靜止軌道對強對流天氣現(xiàn)象實時觀察，可為閃電預(yù)報和全球氣候變化研究提供依據(jù)，為中國大陸及其周邊地區(qū)強對流天氣現(xiàn)象觀察、預(yù)報和研究提供必需的科學(xué)數(shù)據(jù)，為全球大氣循環(huán)等研究提供科學(xué)依據(jù)。功能要求有實現(xiàn)閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的閃電分布圖；通過對閃電進行實時、連續(xù)的觀測，實現(xiàn)對強對流天氣的監(jiān)測和跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警。本文對FY-4衛(wèi)星閃電成像儀的設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究。

1 閃電探測原理與分析

閃電產(chǎn)生于強對流云或?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。沖擊波迅速衰變?yōu)槁暡?，即雷聲。電磁輻射的范圍從超低頻無線電波至X射線，最強的輻射區(qū)之一集中在光學(xué)波長內(nèi)，峰值功率可達100～1 000 MW。對流云和積雨云中發(fā)生的這種雷電交加的激烈放電現(xiàn)象稱為雷暴，閃電已成為這種災(zāi)害性天氣的“示蹤器”。雷暴發(fā)生時，強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>20 000 K)，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)，在較短的波長處才具有一些連續(xù)光譜。NASA U-2飛機的測量證明，在云頂光學(xué)光譜中最強的輻射特征產(chǎn)生于近紅外區(qū)的中性氧和中性氮的光譜線，即777.4 nm處的OI(1)譜線和868.3 nm處的NI(1)譜線，該處光譜輻射始終具有最強輻射特征[9]。NASA U-2飛機探測的閃電光譜如圖1所示。閃電的OIII的三條特征譜線如圖2所示。

圖1 NASA U-2飛機探測的閃電光譜Fig.1 Lightning spectrum detected by U-2 plane of NASA

圖2 閃電的OIII的三條特征譜線細節(jié)Fig.2 Three characteristic spectrum lines of lightning OIII

因國內(nèi)尚無空間觀測的閃電光譜數(shù)據(jù)，也沒有地面閃電觀測的光譜數(shù)據(jù)，為獲取閃電目標(biāo)的光譜特性，基于國內(nèi)現(xiàn)有的試驗與測試條件，采用地基的人工模擬閃電光譜探測、真實閃電光譜探測。歐美的相關(guān)研究表明：云閃和地閃的光譜特征差異較小，可認為地面測得的云對地閃電與云頂?shù)拈W電光譜基本一致。因此，由地基閃電光譜探測試驗?zāi)苡行Т_定閃電探測的光譜選擇。

2012年4～5月進行了實驗室人工模擬閃電光譜探測，成功采集到完整閃電光譜2次。2013年7～8月在廣東陽江、上海、北京等三地進行自然閃電光譜探測，在陽江獲取閃電光譜3次，在上海獲取閃電光譜2次。分別選擇陽江外場閃電光譜、上海閃電光譜與實驗室模擬閃電觀測光譜進行疊加對比，并與美國公布的閃電光譜特征譜線峰值位置進行對應(yīng)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 閃電光譜探測結(jié)果比對分析Fig.3 Different lightning detection results

由圖3可知：實驗室模擬閃電光譜、自然閃電光譜及與美國公布資料一致，閃電光譜最強特征峰出現(xiàn)在777 nm附近，多次獲取的閃電光譜主要特征峰一致性較好。分析發(fā)現(xiàn)，采用中心波長777.4 nm、帶寬1 nm的濾光片，能使閃電信號的強度相對太陽光的云層反射強度比增強至1∶150。

靜止軌道上閃電探測是從云上對閃電進行探測，關(guān)注的是閃電信號云上的光學(xué)特性。白天，閃電信號常被云層、陸地、海洋和綠色植被的強反射陽光背景噪聲掩蓋，致使白天探測閃電信號極為困難，唯一的方法是對亮背景中的閃電信號進行增強與極值化處理。可利用閃電信號與背景噪聲的時間、空間和光譜特性存在的較大差異，采用光譜濾波、空間濾波、時間濾波、幀-幀背景去除等方法的組合實現(xiàn)瞬態(tài)多點源目標(biāo)閃電信號的增強與探測[10]。

目前，國際上的閃電探測儀器包括美國低軌的LIS與OTD，靜止軌道的GLM，歐洲的靜止軌道LI，以及中國的靜止軌道閃電成像儀，閃電探測的原理基本一致，如圖4所示。

圖4 空間光學(xué)閃電探測原理Fig.4 Detection principle of spatial optical lightning

2 閃電成像儀設(shè)計與實現(xiàn)

2.1技術(shù)途徑

基于閃電探測原理，根據(jù)閃電成像儀的任務(wù)需求及各部組件的研制能力，確定了閃電成像儀的技術(shù)參數(shù)和實現(xiàn)途徑。

閃電成像儀采用小F數(shù)透射光學(xué)系統(tǒng)，用雙鏡頭拼接實現(xiàn)大視場覆蓋；采用高穩(wěn)定度超窄帶多腔干涉濾光片實現(xiàn)閃電信號濾波，以高速多抽頭大光敏元CCD器件為敏感元件獲取閃電與背景圖像，由實時事件處理器在2 ms內(nèi)按像元完成焦面數(shù)據(jù)的多幀背景評估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼，每幀輸出閃電事件120個(不足補0)。針對閃電事件的大小，采用與閃電事件一致的視場分辨率(星下點分辨率7.8 km)進行空間濾波，降低云層、陸地和海洋等背景信號對閃電信號的影響。

2.2閃電成像儀組成

閃電成像儀主要由閃電成像儀主體、閃電信息處理盒、閃電管理與溫控盒，以及閃電配電盒4部分組成，如圖5所示。其中：閃電成像儀主體完成入射信號的光電轉(zhuǎn)換和模擬信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；閃電信息處理盒實現(xiàn)閃電幀幀背景去除和閃電探測提取的算法；閃電管理與溫控盒實現(xiàn)相機的測控管理和溫控功能；閃電配電盒實現(xiàn)二次電源配電功能。

閃電信息處理盒的關(guān)鍵電路是實時事件處理器(RTEP)，實現(xiàn)閃電探測算法，即接收焦面組件輸出的數(shù)字信號，完成多幀背景評估、背景去除、閾值比較和閃電事件編碼，從緩慢變化的背景中提取出閃電信號。探測算法的實現(xiàn)由FPGA完成。由于閃電成像儀探測的是閃電事件，閃電事件探測為逐元進行，針對像素i的信號處理如圖6所示。

研制的閃電成像儀如圖7所示。

2.3工作模式設(shè)置

根據(jù)在軌使用需求，閃電成像儀設(shè)置了閃電探測、地標(biāo)觀測和FPGA程序上注三種功能。針對3種功能要求，設(shè)計了閃電探測、地標(biāo)觀測和FPGA程序上注三種工作模式，分別對應(yīng)完成閃電成像儀的3種功能。

a)閃電探測

閃電成像儀以2 ms采樣間隔進行閃電探測，并獲取背景圖像，將閃電信號和選取的區(qū)域背景信號共同編碼輸出。

b)地標(biāo)觀測

進行不同積分時間[幀周期為2，4，8，10，20，40，80 ms中的一種，積分時間對應(yīng)為相應(yīng)幀周期減0.2 ms(可上注更改)]的地物成像，以便通過對地物目標(biāo)的識別進行閃電成像儀光軸標(biāo)定。該模式下不進行閃電探測，只傳輸原始背景信號。

c)FPGA程序上注

在確定需要對FPGA程序進行更改時，閃電信息處理盒停止閃電探測或地標(biāo)觀測模式對信號的處理，分包接收地面上注的FPGA程序數(shù)據(jù)，進行RTEP的FPGA重新配置。

圖5 閃電成像儀組成Fig.5 Composition of geostationary lightning imager

圖6 針對像素i的閃電信號探測處理流程Fig.6 Processing flowchart of pixel i for lightning signal

圖7 閃電成像儀實物Fig.7 Geostationary lightning imager

FY-4衛(wèi)星閃電成像儀是我國第一次研制的在靜止軌道探測瞬態(tài)點源目標(biāo)閃電信號的星載儀器，且由于我國在閃電的光學(xué)探測、高幀頻大動態(tài)探測器、實驗室標(biāo)定驗證等領(lǐng)域的研究尚屬空白，該載荷研制難度較大。研制中的關(guān)鍵和新技術(shù)有閃電成像儀分系統(tǒng)總體、超窄帶濾光片應(yīng)用、高幀率CCD器件、實時事件處理器，以及閃電成像儀實驗室標(biāo)定與驗證。

2.4.1 超窄帶濾光片

窄帶濾光片是提取閃電特征信號的關(guān)鍵。窄帶濾光片要求中心波長777.4 nm，帶寬1 nm，光譜透過率盡可能高，重點是保障空間環(huán)境中窄帶濾光片的長期穩(wěn)定。通過對閃電成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、超窄帶濾光片仿真分析、角漂影響分析、極限溫度分析、可靠性試驗等，對超窄帶濾光片技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)的合理性進行綜合分析，突破了高穩(wěn)定度超窄帶濾光片的溫控、測試等技術(shù)。在大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片使用前，進行了可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和控制保障等工作，在不同溫度、氣壓等環(huán)境中對帶寬、中心波長漂移等性能進行測試，獲得了準確的測試數(shù)據(jù)，為軌道環(huán)境中大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片應(yīng)用提供更準確的應(yīng)用數(shù)據(jù)，使大口徑高穩(wěn)定度超窄帶濾光片的環(huán)境控制更準確有效。

2.4.2 高幀率CCD器件

白天需在亮背景中進行閃電探測且閃電信號持續(xù)時間較短，對探測器的幀頻、動態(tài)范圍、噪聲水平、量子效率的要求較高，可直接決定閃電成像儀對閃電信號的探測能力及探測率。研制初期，國內(nèi)尚無成熟產(chǎn)品，經(jīng)國內(nèi)廠家的技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化探測器輸出設(shè)計，增加抗?jié)u暈結(jié)構(gòu)，加大投片量，進行在線優(yōu)化篩選，對獲得的器件進行抗輻照、長壽命等試驗，研制了滿足閃電成像儀需求的探測器。

2.4.3 實時事件處理器

實時事件處理器是閃電成像儀的核心部件，實現(xiàn)背景評估與去除、閃電信號閾值確定、閃電信號識別、閃電信號編碼等，其性能直接決定了閃電信號能否獲得。多幀背景評估要求盡可能真實地還原出真實背景，盡可能降低閃電信號對背景信號的污染和背景評估值對閃電信號的污染，同時背景評估值還要能快速響應(yīng)背景的變化。閾值的設(shè)置直接關(guān)系閃電信號的提取，正確設(shè)置需隨背景變化而不斷改變的閾值，確保閃電事件的準確提取。參考國外的資料，對閃電事件提取算法的各參數(shù)進行研究分析，確定了評估算法，以及加權(quán)系數(shù)、使用幀數(shù)、閾值確定等關(guān)鍵參數(shù)，完成了探測算法的軟硬件實現(xiàn)。

根據(jù)第一次全國水利普查水土保持情況普查成果，京津冀土壤侵蝕面積50534km2，占土地總面積的24%。以水力侵蝕為主的面積45 573km2，主要分布在燕山山區(qū)、太行山山區(qū)；風(fēng)力侵蝕的面積4 961km2，主要分布在河北省壩上高原地區(qū)，見表1。

2.4.4 試驗室標(biāo)定與驗證

標(biāo)定與驗證包括系統(tǒng)性能的標(biāo)定、閃電探測率和虛警率的驗證。難點是由于閃電發(fā)生的隨機性、地面觀察與在云層上方觀察的不一致，導(dǎo)致閃電成像儀的核心技術(shù)指標(biāo)不能由地面對閃電成像驗證。針對亟需解決的技術(shù)難題和所需設(shè)備，通過比對分析國外相關(guān)資料，并結(jié)合國內(nèi)研究成果，形成實驗室標(biāo)定與驗證實施方案，研制了專門的閃電場景模擬和驗證系統(tǒng)，有效進行了FY-4衛(wèi)星閃電成像儀閃電探測性能的試驗驗證，為相機交付和發(fā)射提供參考。

2.5國際對標(biāo)

閃電成像儀與國外同類儀器的技術(shù)指標(biāo)對比見表1。由表1可知：我國的靜止軌道瞬態(tài)閃電成像儀性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

3 在軌測試

FY-4A星發(fā)射后，按在軌測試細則和在軌測試大綱要求，開展各種觀測模式、各項功能和性能的在軌測試。閃電成像儀閃電探測性能需在軌經(jīng)過一個長周期的觀測、統(tǒng)計、比對等后進行評價。在軌測試的部分初步成果和結(jié)論如下。

表1 閃電信號探測儀器性能參數(shù)

3.1地標(biāo)觀測模式成像結(jié)果

閃電成像儀在軌開機后，切換到地標(biāo)觀測模式可獲得各種不同積分時間的成像圖。閃電成像儀積分時間分別為2，4 ms時FY-4A星調(diào)頭前閃電成像儀觀測的澳大利亞西海岸區(qū)域成像結(jié)果分別如圖8、9所示。其中：圖8、9的成像時間均為2016年12月19日 07：12～07：16(世界時(UTC))。2017年2月13日積分時間2 ms時24 h的成像結(jié)果如圖10所示。

圖8 閃電成像儀積分時間2 ms成像結(jié)果Fig.8 Imaging results of GLI with integral time 2 ms

由上述地標(biāo)成像結(jié)果可知：

a)白天地物和云層的圖像清晰、云層層次分明、動態(tài)范圍大，海岸線等特征目標(biāo)可用于定位。

b)通過地標(biāo)成像模式參數(shù)調(diào)整改變圖像動態(tài)范圍。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，白天積分時間2，4 ms合適；白天高亮云層在積分時間8 ms及以上時出現(xiàn)飽和；夜間積分時間2～80 ms均無有效響應(yīng)，觀測不到圖像。

圖9 閃電成像儀首次開機積分時間4 ms成像結(jié)果Fig.9 First imaging results of GLI with integral time 4 ms

3.2閃電探測模式成像結(jié)果

2017年2月13日09：35～15：34(UTC)澳大利亞Swan Valley地區(qū)發(fā)生一次強雷暴全過程。FY-4星閃電成像儀閃電探測成功捕獲到這次強雷暴過程。4個時間段統(tǒng)計的閃電成像儀閃電事件觀測數(shù)量如圖11所示。4個時間段的閃電事件與背景如圖12所示。

2017年3月29日，F(xiàn)Y-4星閃電成像儀探測到我國貴州、廣州和越南北部閃電，如圖13所示。經(jīng)與地面站探測結(jié)果比對，時間、位置均吻合。

從閃電探測結(jié)果可知：閃電探測模式能實現(xiàn)對不同強度閃電事件實時探測；閃電成像儀具備對一次強對流過程進行完整監(jiān)測和跟蹤能力。

圖10 地標(biāo)模式積分時間2 ms的24 h成像結(jié)果Fig.10 24 h imaging results of landmark observation mode with integral time 2 ms

圖11 FY-4A星閃電成像儀探測到的2017年2月13日 澳大利亞西部Swan Valley地區(qū)強雷暴過程Fig.11 Severe thunderstorm process in Swan Valley in Australia on Feb. 13, 2017 observed by FY-4A GLI

圖12 FY-4A星閃電成像儀探測到的2017年2月13日 澳大利亞西部Swan Valley閃電事件與背景Fig.12 Lightning events in Swan Valley in Australia on Feb. 13,2017 observed by FY-4A GLI and its background

圖13 2017年3月29日15：48中國及越南閃電的FY-4A 星閃電成像儀探測結(jié)果與地基網(wǎng)監(jiān)測結(jié)果Fig.13 Lightning events in China and Vietnam at 15: 48 on Apr. 29, 2017 observed by FY-4A GLI and ground network

經(jīng)多次對大陸地區(qū)閃電探測儀觀測的數(shù)據(jù)與閃電地基網(wǎng)的比對，閃電成像儀探測結(jié)果與地基網(wǎng)數(shù)據(jù)基本吻合。后續(xù)將持續(xù)監(jiān)測雷暴過程和對比星地觀測數(shù)據(jù)，檢驗和驗證閃電成像儀閃電探測率。

4 閃電成像儀發(fā)展展望

根據(jù)靜止軌道閃電探測的特點，閃電成像儀通過光譜濾波、空間濾波、時間濾波、幀背景去除結(jié)合的途徑實現(xiàn)閃電探測，通過雙鏡頭拼接實現(xiàn)視場覆蓋，完成了FY-4A星閃電成像儀的研制，發(fā)射后在軌穩(wěn)定正常運行。經(jīng)在軌初步測試，該閃電成像儀能實現(xiàn)對不同強度閃電事件實時探測，具備對強對流天氣過程完整監(jiān)測和跟蹤能力。閃電成像儀在軌數(shù)據(jù)可為我國的強對流天氣預(yù)報提供有力支撐。

目前在靜止軌道運行的閃電成像儀有美國的GOES-R衛(wèi)星的GLM，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀是第二個在軌運行的靜止軌道閃電探測儀器。歐洲的(MTG)上的LI尚在研制中，目前還未發(fā)射。GLM，LI均是全圓盤觀測，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀觀測范圍是中國大陸及部分周邊海域，除觀測范圍小外，其他指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。

FY-4A星閃電成像儀的視場為4.98°×7.47°，不具調(diào)頭功能，在衛(wèi)星調(diào)頭時不能實現(xiàn)中國及周邊區(qū)域的連續(xù)實時閃電探測。為滿足我國氣象應(yīng)用需求，需對全圓盤閃電進行24 h不間斷的實時探測，獲取圖像產(chǎn)品和閃電探測產(chǎn)品，更好地實現(xiàn)我國強對流災(zāi)害天氣的實時、即時預(yù)警預(yù)報，為我國長期氣象數(shù)值預(yù)報提供數(shù)據(jù)，同時更好地為航空航天航海等提供短時、實時預(yù)報服務(wù)。下一代閃電成像儀將在FY-4A星研制的基礎(chǔ)上進行功能、性能大幅升級換代，將與國際最高水平一致。因視場擴大和數(shù)據(jù)量的大幅增加，大視場光學(xué)系統(tǒng)、高幀率大動態(tài)探測器、大口徑超窄帶濾光片、實時事件處理器的能力和規(guī)模及速率等要求遠高于FY-4A星的閃電成像儀，需突破全圓盤觀測重點觀測區(qū)域可調(diào)的點目標(biāo)閃電探測總體、大口徑高透過率超窄帶濾光片在軌應(yīng)用保障、高幀率低噪聲大面陣探測器、集成式高速星上實時事件處理等關(guān)鍵技術(shù)，為相機研制提供技術(shù)基礎(chǔ)，滿足國家的需求。

5 結(jié)束語

本文介紹了FY-4A星閃電成像儀的工作原理、軟硬件實現(xiàn)方法，給出了其在軌測試成果，以及與國外同類產(chǎn)品的性能比較，并對閃電成像儀的后續(xù)發(fā)展進行了展望。FY-4A星閃電成像儀的在軌運行，填補了我國在閃電探測遙感器領(lǐng)域的空白，可實現(xiàn)我國雷電、強對流天氣的實時監(jiān)測，將閃電探測結(jié)果與云圖疊加，可實現(xiàn)對閃電災(zāi)害、強對流天氣的短時、實時預(yù)警預(yù)報，降低雷電、強對流天氣對我國航空、航天、航海、交通運輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信等領(lǐng)域的危害。目前，F(xiàn)Y-4A星閃電成像儀在軌測試已取得初步成果，但其在軌數(shù)據(jù)分析和評價還有待于更多數(shù)據(jù)的積累，以進一步對該閃電成像儀的性能進行驗證。FY-4A星閃電成像儀的覆蓋范圍為中國大陸地區(qū)，在衛(wèi)星調(diào)頭時不能實現(xiàn)中國及周邊區(qū)域的連續(xù)實時閃電探測，后續(xù)閃電成像儀的發(fā)展方向?qū)⑹侨珗A盤閃電探測。FY-4A星閃電成像儀的研制為后續(xù)全圓盤閃電成像儀研制提供了堅實的基礎(chǔ)。

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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 華(1975—)，女，高級工程師，主要研究方向為遙感器總體技術(shù)。

P427.321

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