静止轨道闪电光学探测的光谱选择及影响分析

鲍书龙 陈强 张志清 汤天瑾 赵学敏



静止轨道闪电光学探测的光谱选择及影响分析

鲍书龙1,2陈强3张志清4汤天瑾1,2赵学敏1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） (2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094 ) （3上海卫星工程研究所，上海 201100） （4中国国家气象卫星中心，北京 100081）

闪电产生于强对流云或对流云系，是强对流灾害性天气的“示踪器”。闪电成像仪在静止轨道上利用瞬态闪电和缓变的云层、陆地与海洋等背景噪声之间存在时间、空间和光谱特性上的差异，采用光谱滤波、空间滤波、多帧-帧背景去除等三种方法组合来实现瞬态闪电的增强与探测。由于中国缺少云顶闪电辐射、闪电分布、闪电瞬态特性等参数，静止轨道闪电光学探测仪器的设计重点之一是光学探测谱段的选择与评价。针对中国存在的闪电光学性能研究不足和空基天基的光学探测手段较少的情况，在地面采用光谱仪对人工模拟闪电、自然界闪电进行光学特性探测，对获取到的地基闪电光谱数据进行分析和反演，从而得出天基闪电探测的参数选择。文章重点论述了闪电的空间光学探测仪器的探测谱段选取、仿真计算、试验验证等内容，为静止轨道闪电光学探测载荷研制提供基础数据和保障。

闪电 光学探测 光谱选择 影响评估 航天遥感

0 引言

我国闪电研究主要集中在电场和磁场等方面，闪电探测主要是地基的电场、磁场等雷达探测方式，鲜有闪电的光学特性研究，“风云四号”（FY-4）卫星闪电成像仪是我国首次开展的空间闪电光学探测，也是国际上同步开展的静止轨道闪电光学探测三台载荷之一。

文献[1]主要论述了在静止轨道上利用瞬态点源多目标闪电信号和缓变的云层、陆地与海洋等背景噪声之间存在时间、空间和光谱特性上的差异，采用光谱滤波、空间滤波、帧—帧背景去除三种方法的组合实现瞬态点源多目标闪电信号的增强与探测。

文献[2]主要论述了闪电成像仪实验室性能测试。文献[3]在明确虚警率和探测率概念基础上，建立了虚警率和探测率与信噪比之间相互关系的定量模型，通过仿真计算得出信噪比大于5.0时虚警率可控制在10%以内、信噪比达到5.2~5.7以上时探测率可达到90%。

文献[４]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，并给出了空间光学闪电探测原理以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。

文献[5]主要论述了利用地基闪电观测数据对美国低轨道卫星闪电成像仪TRMM/LIS的检验和验证：卫星和地基闪电观测数据具有较强的相关性，说明了卫星光学成像闪电探测技术的可行性和可靠性，但未对闪电的光学特性、谱段选择及试验验证等进行详细研究。

文献[6]详细介绍了美国静止轨道闪电成像仪LMS的设计方案，文献[7]详细介绍了欧洲MTG卫星的闪电成像仪LI的光学设计方案，文献[8-15]介绍了天基闪电探测光学仪器的性能评价与性能验证方法，文献[16]和文献[17]介绍了从天基探测闪电的闪电光学特性研究成果。

本文所研究的内容是天基闪电光学探测载荷研制的基础工作——闪电光谱特性、试验探测结果分析、探测谱段选择与影响分析，通过地基的高压大电流模拟放电光谱测量、自然闪电光谱测量和分析，为静止轨道闪电光学探测载荷设计提供了基础数据与技术支撑。

1 闪电探测的噪声源及信噪比分析

天基闪电探测时，闪电探测仪器选取的分辨率与闪电信号照亮云顶尺寸相匹配，天基闪电探测是点目标探测，闪电信号信噪比SNR的定义为

式中S为闪电信号；为总噪声，主要包括：闪电源信号的光子散弹噪声，云层、海面与陆地等反射阳光背景信号的光子散弹噪声，暗电流噪声以及电路噪声等，计算公式为

将式（2）带入式（1），并根据闪电信号产生电子数S和背景信号产生电子数B，可得闪电信号信噪比，即式（5）

从式（5）可得，影响闪电探测SNR主要原因是闪电源与背景面积、光学系统性能（透过率，带宽Δ，F数#、探测器性能、源与背景辐射、脉冲分裂因子）和其他噪声因子等几方面。

2 闪电光谱与云地背景光谱特性研究

白天，云层、陆地、海洋和绿色植被的反射阳光背景非常强烈，根据国内外探测与研究，厚积云反射率在90%~98%以上，而闪电绝大多数发生有云区域，此时反射的阳光背景强度是闪电信号100倍以上，白天闪电信号被强反射阳光背景掩盖，探测极端困难。最为有效方法是选取合适的探测谱段和带宽，从而达到有效抑制背景信号，使得闪电信号与背景信号具有可比性。

2.1 闪电产生机理

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。电磁辐射的范围从超低频无线电波一直到X射线，最强的辐射区之一集中在光学波长内，具有100~1 000MW的峰值功率。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 000K），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。

2.2 闪电光谱特性

研究表明，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777.4nm处的OI（1）谱线（氧的原子谱线）和868.3nm处的NI（1）谱线（氮的原子谱线），该处光谱辐射始终具有最强辐射特征，OI（1）谱线中777.4nm附近的三条特征谱线辐射亮度最大，如图1所示。同反射阳光背景在该谱段辐射能量具有可比性，OI（1）谱线能量相当于阳光背景的0.01~1 000倍。

2.3 我国闪电光谱特性研究现状

由于国内闪电研究主要集中在电场、磁场等方面，地基闪电探测主要以雷达探测为主，尚无闪电信号的光学特性研究及相关数据，FY-4卫星闪电成像仪是我国首次开展的空间闪电光学探测，无相应研究成果支撑。

国外公开的闪电光谱及带宽等数据在不同文献中具有较大差异，为保证我国闪电成像仪研制成功，必须确保采用的光谱谱段和带宽准确无误，进行了大量的实验室模拟闪电、自然界真实闪电的光谱探测与分析工作，在上海防雷中心、上海交通大学雷电实验室、阳江、北京、上海等地进行了200多次闪电信号光学性能探测研究工作，本章节重点分析模拟闪电、自然界真实闪电的光谱探测结果。

图1 NASA U-2飞机探测的闪电光谱

2.3.1 人工模拟闪电光谱探测结果

2012年4月至5月在上海交通大学进行了人工模拟闪电光谱探测，多次成功采集到完整闪电光谱，其中2次结果如图2所示。

试验采集到的闪电光谱特征主要集中在650~900nm范围内，与美国公布的闪电特征光谱范围267[6]基本相同，如图3所示。

图2 试验获取的人工模拟闪电光谱

图3 采集到的闪电光谱与国外资料对比（650~900nm）

2.3.2 自然闪电光谱探测结果

2013年7月至8月在广东阳江、上海、北京等三个地方进行自然闪电光谱探测，在阳江获取3次闪电光谱，在上海获取2次闪电光谱，分析结果如图4和图5所示。

2.4 闪电光谱探测结果比对分析

分别选择阳江外场闪电光谱、上海闪电光谱与交大实验室模拟闪电观测光谱进行对比分析，结果如图6所示。

图4 阳江获取的闪电光谱

图5 上海获取的闪电光谱

图6 闪电光谱探测结果比对分析

根据以上分析，实验室模拟闪电光谱、自然界真实闪电光谱一致，且与美国公布结果相一致，闪电光谱最强特征峰出现在777nm附近。

2.5 闪电探测光谱谱段选择

通过对闪电特征光谱和云层反射阳光光谱分析，闪电光谱是离散的线光谱，其光学辐射主要集中在OI（1）和NI（1）的线光谱谱段，在这两个谱段闪电光谱能量和阳光背景具有可比性，其中OI（1）的777.4nm线光谱能量最强，根据探测结果分析，其能量约为闪电光学光谱总能量的15%，闪电光谱与云背景光谱强度关系如图7所示。

图7 闪电光谱与阳光背景光谱之间的对比关系

图8 闪电的OI（1）3条特征谱线细节

闪电探测时应选取闪电光谱中能量和云背景能量具有最大可比性的谱段，探测谱段应能包含最强闪电能量的闪电光谱，同时尽可能的抑制能量强大、均匀且连续的云背景，使得闪电信号在去除背景后能够满足探测率90%的性能要求，经综合分析和计算，最终选择了OI（1）的777.4nm的探测谱段。

2.6 闪电探测光谱带宽选择

图9 超窄带滤光片中心波长角度漂移状态下闪电的3条特征谱线透过率

综合实现OI（1）的3条特征谱线在0°~3.2°入射角情况下均具有较高通过率、尽可能的抑制背景信号，并结合大口径超窄带滤光片的研制难度和生产工艺，选取了中心波长为777.4nm、带宽为0.9nm的探测谱段。

2.7 超窄带滤光片研制结果

经过攻关，解决了超窄带滤光片设计和研制的诸多关键技术，获得了满足静止轨道FY-4闪电成像仪的使用要求的超窄带滤光片（有效通光直径145mm、带宽0.9nm、中心波长777.4nm），实测光谱测试曲线如图10所示，其中中心、58mm A、58mm B、58mm C、58mm D是超窄带滤光片上不同位置的中心波长与带宽测试结果，测试结果表明该滤光片均匀性较好。角度漂移曲线如图11所示，测试结果表明中心波长角度漂移满足0.4nm的要求。

图10 超窄带滤光片中心波长与带宽测试结果

图11 中心波长角度漂移测试曲线

2.8 超窄带滤光片在轨应用情况

装载中心波长为777.4nm、带宽0.9nm超窄带滤光片的FY-4闪电成像仪按计划完成了研制，已于2016年12月11日发射，12月18日准确入轨，定点于东经99.5°，此后闪电成像仪开机开始24h工作，通过在轨试验验证，闪电成像仪所采用闪电探测光谱能够实现有效滤除背景影响，使得闪电信号与云层反射的阳光背景具有可比性，能够实现对不同强度闪电实时探测。

3 结论

闪电探测采用的探测光谱（中心波长为777.4nm，带宽1.0nm）对闪电探测信噪比SNR影响较小（偏差在5%以内），能够满足在静止轨道探测闪电的性能要求，使其达到90%的闪电探测率，同时兼顾了超窄带滤光片设计与制造的合理性可行性。经在轨试验验证，闪电成像仪所采用闪电探测光谱谱段及带宽能够实现有效滤除背景影响，使得闪电信号与云层反射的阳光背景具有可比性，能够实现对不同强度闪电实时探测，具备对强对流天气过程的完整监测和跟踪能力。FY-4闪电成像仪将为我国航天、航空、航海及其国民生产生活提供短时、实时的闪电预报预警，具有广泛的应用价值和广阔的应用前景，将产生显著的社会效益。

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Spectral Band Selection and Influence Analysis for Lightning Optical Detection for the Geostationary Meteorological Satellite

BAO Shulong1,2CHEN Qiang3ZHANG Zhiqing4TANG Tianjin1,2ZHAO Xuemin1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）（3 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201100, China）（4 National Satellite Meteorological Centre, Beijing 100081, China）

Lightning is produced by severe convective clouds or systems, which is a tracer of severe convective weather. The Geostationary Lightning Mapper achieves instantaneous lightning signal intensification and detection from geostationary orbit by using the differences between the lightning signal and the slowly changing background noise such as that of cloud, land and ocean, combining three methods, i.e. spectral filtering, spatial filtering and background noise removal between frames. Due to the lack of parameters of lightning radiation, distribution and transient characteristics of cloud top in China, one of the focuses on the design of the geostationary lightning imager is the spectral band selection and evaluation for the optical detection. At present, there is a lack of research on the optical performance of lightning and the optical detection methods both aircraft-based and space-based are rare in China. Therefore, the optical properties of artificial lightning and natural lightning are detected by spectrometer on the ground, and the obtained ground lightning spectra are then analyzed and retrieved to obtain the spectrum of space-based lightning. In this paper, we discuss the spectral band selection, simulation, calculation and test verification of the geostationary lightning imager, providing basic data and support for the development of the geostationary lightning optical detection camera.

lightning; optical detection; spectral band selection; influence analysis; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2019)03-0057-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.008

鲍书龙，男，1979年生，2012年获西北工业大学航空学院飞行器总体设计硕士学位，高级工程师。研究方向为航天光学遥感载荷设计技术。E-mail：59604575@qq.com。

2018-09-13

国家重大科技专项工程

（编辑：刘颖）