我国首台地球静止轨道闪电成像仪成功在轨运行全身“黑科技” 充满“抓闪电”超能力

我国首台地球静止轨道闪电成像仪成功在轨运行全身“黑科技” 充满“抓闪电”超能力

China' s First Geostationary Lightning Mapper Worked in the Orbit

本刊特约记者 杨艳

2017年2月27日，中国国家气象局发布了风云-4卫星获取的全球首批地球静止轨道闪电探测影像。本次发布的闪电数据为2017年2月13日对澳大利亚西部天鹅谷（Swan Valley）地区一次强雷暴的全过程数据，该次探测完整再现了该地区强雷暴的产生-发展-结束全过程中的闪电发生情况，全过程持续约6h。此批影像由我国2016年12月发射的风云-4气象卫星闪电成像仪探测。该闪电成像仪由北京空间机电研究所研制，是我国首台地球静止轨道闪电探测仪器，填补了我国天基闪电探测方面的空白。

1 “抓闪电”的那些超能力

自2016年12月风云-4发射以来，闪电成像仪在轨工作正常，北京空间机电研究所配合国家气象局完成了多批闪电探测影像的在轨处理工作。风云-4闪电成像仪是全球同步研制的3台地球静止轨道闪电成像仪之一，也是首台对外公布观测数据的探测仪。

北京空间机电研究所闪电成像仪主任设计师鲍书龙介绍说：“闪电成像仪是一双敏锐的‘眼睛’”，每秒可探测500张闪电图，实现对中国及周边区域24h不间断的闪电实时探测，而这都源于它具备的一些超能力。

它是个“快刀手”，每2ms就探测一次中国及周边闪电情况，探测速度是国内大范围闪电探测速度最快的；它是遥感器中的“寿星”，具有7年超长的在轨不间断实时闪电探测能力；它是个“大广角”，一次可实时实现全中国和部分邻居的闪电探测与监测；它是个不休息的“摄影师”，举起镜头，能够实现6帧/s地面图像的获取，实时监测云层、强对流气团的运动；它还是个“智能型”选手，具有在轨探测算法全部更改能力，闪电探测效率能力强。

“闪电成像仪是个勤奋的‘拼命三郎’”，闪电成像仪副主任设计师梁华笑着说：“通过分析每张照片的时间、空间和光谱信息，它能够实时将混有闪电事件的云层真实地提取出来，再用闪电探测算法将闪电事件进一步‘淬炼’出来，1帧画面可以抓住120个最强闪电事件，随后丢弃原始成像图，只将闪电数据传回地面，经过闪电产品的专业处理，就能够实现闪电和强对流天气预警预报了。”

2 超能力背后的“黑科技”

早在2003年，北京空间机电研究所闪电成像仪项目组成立。当时，我国关于闪电探测的研究尚处于空白。从太空中看到的闪电会是什么样子的？无人清楚。美国航空航天局（NASA）公布资料中的只言片语、欧洲航天局（ESA）公开的会议材料，甚至日本同类型产品的技术参数都是研制团队搜集、学习、消化的对象。

渐渐地，研制团队认识到在太空看闪电和在地面看闪电，差别可真是“天上地下”。人们在地面看到的闪电是连续的、非常高的线条状的，而在太空中探测的闪电是叠加在云层上的一个个随机的离散的点状目标。由于云层对阳光的强反射，大部分闪电的亮度相当于云层背景的1/10，甚至1/100。同时，由于观测范围广，观测范围内的背景反差大，白天情况下闪电淹没在背景之中。因此，白天在轨实时探测大反差、强背景上随机点源的闪电非常困难。

鲍书龙介绍说：“经过13年的探索攻关，北京空间机电研究所闪电成像仪研制团队先后掌握了大口径超窄带滤光片、大视场小F数（F数1.0）双镜头组件视场拼接、高帧率大动态范围面阵焦平面组件、实时事件处理器、闪电场景实验室模拟等数十项新技术。”正是这些首次应用于我国空间光学遥感载荷产品的“黑科技”，造就了风云-4卫星闪电探测仪的超能力。

闪电成像仪采用超窄带滤光片，将能量强大的阳光背景挡在“门外”，只允许和闪电“身材”相当的光谱进入，这样就使得柔弱的闪电信号在阳光下“现了真身”；采用“冬暖夏凉”的主被动温控措施，保证“娇嫩”的超窄带滤光片每天在阳光直照时超过+90℃的火炉中、背阴时低于-90℃的冷库中都温暖如春；采用国内自主研制的高帧率、大动态、高灵敏度探测器，使得闪电成像仪具备超强视力，看得见黑夜中的细发，看得清强光中的秋毫，能够适应8000倍的亮度变化；利用在轨高速实时事件处理器，在2ms时间内完成10.08G数据处理，实时完成阳光背景评估与去除，利用其火眼金睛将闪电信号探测出来，同时在2ms时间内完成所有结果的强弱排序，保留最强的120个闪电信号，编码“汇报”至地面。更值得欣喜的是，北京空间机电研究所研制团队攻克的这些新技术不为闪电成像仪独属，多项可应用于我国高轨卫星载荷研制。

3 闪电探测产品应用广泛、惠及多方

雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一，雷击除造成人员伤亡和财产损失外，还导致火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故的发生，从卫星、通信、导航、计算机网络到每个家庭的家用电器都会受到雷电灾害的严重威胁。据有关部门估计，全世界平均每分钟发生雷暴2000次，全球每年因雷击造成的人员伤亡超过10000人，其中死亡人数超过3000人，造成直接经济损失超过10亿美元。

最新统计资料表明，我国雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员死亡达3000～4000人，受伤致伤超过6000人，财产损失50亿～100亿元人民币。

目前，中国国家气象局在京津冀地区、长江中下游地区和珠三角地区都建设了具有云闪探测功能的区域性闪电监测系统，这为进一步提高中国雷电科研和防护的整体能力打下了基础，中国现代雷电灾害防御保障体系正在进一步完善之中。但与发达国家相比，目前中国大城市防雷减灾体系仍存在差距，主要是综合探测能力和预测预警水平有待提高，雷电防护的科技水平和相关技术标准及管理措施尚待完善。

由于地面闪电探测系统作用范围小、站点布置少、站点不连续等原因，地基闪电探测网在闪电探测、监测，强对流天气预警、预报和跟踪等方面作用较小，无法有效进行全国范围，尤其是海洋等地方的闪电探测与预报。

太空中的闪电探测，尤其是地球静止轨道闪电探测，具有24h不间断、覆盖范围大、无死角、实时性好等优点，可以采用凝视的方式实现对中国及周边区域闪电的24h不间断的实时探测、预报，实现强对流天气（雷暴、台风）的短时、实时预警预报，降低人民生命财产损失，为人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空、航天、航海、交通运输等提供灾害预警预报，是世界上有研制能力的国家优先采用的闪电探测方式。

风云-4闪电成像仪成功在轨标志着我国闪电探测的新起点，有了这位恪尽职守的太空“卧底”，我们能够实现我国雷电、强对流天气的实时监测。将闪电探测结果与云图叠加起来，可以实现对闪电灾害、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、通信等方面的危害。尤其在航空航线、海洋航线等全程闪电与风暴的实时预报等方面，闪电成像仪能力突出。

鲍书龙说：“我们将继续协助用户开展闪电成像仪在轨测试工作，重点进行闪电探测性能在轨验证，将为2017年6月后我国汛期的雷电监测与预报提供支持。”此外，据了解，根据世界气象组织规定，全球气象数据是免费共享的。闪电成像仪探测的影像产品不仅可以服务于我国国民经济建设，还可以惠及其凝视范围内的其他邻国，彰显我国睦邻友好的大国形象。