曹冬杰（中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室，國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

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風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀監(jiān)測原理和產品算法研究進展

曹冬杰
（中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室，國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：靜止衛(wèi)星閃電成像儀通過光學成像探測實現閃電定位，能夠對閃電活動進行長時間連續(xù)監(jiān)測，為中國地區(qū)強對流天氣預警和區(qū)域閃電活動特征研究提供觀測基礎。結合國外靜止衛(wèi)星閃電成像儀研究現狀，針對風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀工作原理和產品算法進行了介紹。

關鍵詞：閃電成像儀，實時事件處理器，虛假信號濾除算法，聚類分析

0　引言

閃電放電過程會產生很強的光輻射，根據閃電的放電特征，衛(wèi)星搭載的閃電成像儀通過探測777.4nm中性氧原子近紅外吸收譜線的閃電光輻射，能夠確定閃電發(fā)生的準確位置[1-2]。國際上在軌運行的星載閃電成像儀搭載于近赤道非太陽同步軌道衛(wèi)星，包括裝載于Microlab-1衛(wèi)星上的閃電光學瞬變探測器（OTD）[3-5]和裝載于熱帶降水測量計劃任務衛(wèi)星（TRMM）上的閃電成像儀（LIS）[5-6]。作為LIS的原型，OTD自1995年開始投入運行，相對赤道傾角70°，軌道高度740km，觀測區(qū)域為75°S—75°N，軌道周期為100分鐘，完整覆蓋全球需55天，用于探測閃電光輻射的電荷耦合器件探測陣列（CCD）大小為128×128，觀測視場為1300km×1300km，空間分辨率為10km，閃電探測率為50%～66%。LIS自1998年開始投入運行，工作波長為中性氧原子近紅外譜線777.4nm，帶寬為0.909nm，相對赤道傾角35°，軌道高度350km，觀測區(qū)域為35°S—35°N，軌道周期90分鐘，完整覆蓋全球需49天，CCD面陣為128×128，觀測視場為1300km×1300km，空間分辨率為3～6km，其中，星下點分辨率為3.7km，閃電探測率為88%。2001年8月軌道抬升至402.5km，星下點分辨率為4.3km。LIS利用星上實時事件處理器（RTEP）對觀測數據進行星上預處理和虛假信號濾除，并將數據實時發(fā)送至地面接收站。

衛(wèi)星閃電觀測產品在天氣和氣候研究中有重要應用[7-10]。在低軌道衛(wèi)星閃電成像儀OTD和LIS的基礎上，通過發(fā)展靜止衛(wèi)星閃電成像儀實現對閃電的連續(xù)、實時觀測，從而實現雷電的追蹤和預警，成為了國際上雷電空間探測的主要發(fā)展方向。美國、中國和歐洲均陸續(xù)開展靜止衛(wèi)星搭載閃電成像儀的設計和研究。美國靜止衛(wèi)星[11]（GOES-R）閃電成像儀（GLM），計劃2016年發(fā)射，CCD面陣大小為1372×1300，空間分辨率為8～14km，閃電探測率為70%，虛警率為5%。歐洲第三代靜止衛(wèi)星（MTG）閃電成像儀（LI）[12]，計劃2018年發(fā)射。中國新一代靜止衛(wèi)星風云四號（FY-4）閃電成像儀（LMI）[13-14]是我國第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產品生成算法等方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，首星計劃于2016年發(fā)射。美國、中國和歐盟靜止衛(wèi)星閃電成像儀，儀器結構和工作原理相似，未來將構成近乎全球覆蓋的天基閃電觀測網，將對全球閃電探測、大氣電學研究等相關領域產生重要影響。

同低軌道衛(wèi)星閃電成像儀相似，靜止衛(wèi)星閃電成像儀主要包括CCD面陣以及用于星上數據預處理和背景信號濾除的星上實時事件處理器（RTEP），地面處理系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星觀測數據定標和定位，以及包括虛假信號濾除和聚類分析等產品算法的產品生成系統(tǒng)。本文對靜止衛(wèi)星閃電成像儀的儀器工作原理和產品生成算法進行詳細介紹。

1　儀器工作原理

1.1儀器工作原理

靜止衛(wèi)星閃電成像儀CCD觀測波長為777.4nm，CCD探測來自閃電放電過程產生的光輻射，探測到的光輻射強度數據通過星上RTEP進行星上數據預處理和地面產品生成系統(tǒng)。首先，采用背景光估計等方法濾除CCD面元探測的背景光，提取可能來自于閃電的發(fā)光“事件”，數據實時發(fā)送至地面接收站。其次，地面接收站對RTEP下傳的數據進行定標和定位處理，輸出經定標定位后的包含發(fā)光“事件”的發(fā)生時間，位置和強度等信息的閃電成像儀產品。最后，利用產品算法軟件，進行虛假信號濾除和聚類分析，輸出包含閃電“事件”、“組”和“閃電”的發(fā)生時間、位置和強度等信息的閃電成像儀產品，應用于業(yè)務服務和科研。風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀的觀測視場如圖1所示，基本能夠覆蓋中國地區(qū)及鄰近陸地和海洋區(qū)域，實現中國地區(qū)閃電活動特征的觀測。

1.2星上RTEP算法

星上RTEP接收CCD面陣并行輸出的原始觀測數據，經信號接收與限幅、多幀平均背景估值、背景信號去除、逐元閾值自適用設置、閃電信號探測、閃電信號編碼[14]，將閃電“事件”與背景數據一并輸出給信息編碼電路并傳至地面接收測站。

GLM利用RTEP實現背景光濾除，如圖2所示，星上RTEP算法主要目的是對原始數據進行背景光去除，減小背景光對閃電觀測的影響，白天背景光的變化主要與太陽角度、云體反射率和地面反照率有關，根據背景光的特征，濾除方法包括空間濾除、光譜濾除、積分濾除和多幀平均背景估值方法[15]。風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀將針對背景光特征，綜合采用多種方法實現背景光濾除。

圖1　風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀觀測范圍（圖中不同顏色圓點表示TRMM搭載的LIS觀測的2008年7月閃電頻數分布日均值）Fig.1　FOV view from the FY-4 LMI(lightning observations in July,2008 from the NASA LIS on board the TRMM（TRMM/LIS）low earth-orbiting satellites)

圖2　閃電成像儀星上實時事件處理器[16]Fig.2　Real Time Event Processor on Lightning Mapping Imager[16]

1）空間濾除。將閃電成像儀焦平面陣列上的每個探測像元的瞬時視場（IFOV）與云頂區(qū)域閃電閃擊發(fā)出的光輻射在空間尺度上進行分析（如5～10km區(qū)域），比較閃電信號與背景光。例如，當IFOV范圍大于10km時，閃電信號與背景光將沒有明顯區(qū)分，原因是云層對云內垂直分布的閃電放電源發(fā)出的光的散射沿徑向光強逐漸減弱，而云頂散射的太陽光在徑向方向上的光強則基本不變。如果IFOV范圍小于10km，閃電信號和背景光都將減小，但電子噪聲不變，因此探測系統(tǒng)信噪比減小。

2）光譜濾除。利用以777.4nm譜線為中心譜線的窄帶干涉濾波器實現光譜濾除，窄帶濾波器能夠提高探測系統(tǒng)的信噪比，使得相對較弱的閃電信號不會被背景光“淹沒”。

3）積分濾除。對CCD面陣焦平面上的觀測信號在時域進行積分，利用閃電脈沖持續(xù)時間（400μs的倍數）與背景光持續(xù)時間（整秒的倍數，常數）不同的特點進行背景光濾除。積分時間為CCD面陣數據讀出之前，各像元電荷積累所需的時間。閃電信號與背景光信號的比值隨積分時間接近閃電脈沖持續(xù)時間而升高。如果積分時間太短，閃電信號可能在相鄰的兩幀之間被分離，導致信噪比降低。觀測時，閃電成像儀的實際積分時間設置為1.8ms，這樣的積分時間設定可最大限度的減小閃電信號被分離的可能，使探測效率最大化。

4）多幀平均背景估值[2]。將每秒開始的數幀原始數據做平均，給出背景估值，進而將緩慢變化的背景光從輸出的原始數據中濾除，提取瞬態(tài)變化的閃電“事件”。同時，采用根據背景強度自適用調整探測閾值的方法，實現瞬態(tài)點源弱小目標探測效率最大化，減小背景光的影響。

2　閃電產品生成算法

閃電產品算法對經地面處理系統(tǒng)定標定位處理后的發(fā)光“事件”進行虛假信號濾除和聚類分析，輸出閃電“事件”、“組”和“閃電”的發(fā)生時間、位置和強度等信息，以及基于結構樹的閃電“事件”、“組”和“閃電”之間的從屬關系。

2.1虛假信號濾除算法

閃電成像儀CCD面陣探測的原始數據中的噪聲主要來源于閃電成像儀的儀器探測系統(tǒng)噪聲，包括重復噪聲（CCD面陣探測產生）、鬼影噪聲（CCD面陣輸出設備產生）、棒棒糖噪聲（光輻射強度過飽和）、軌跡噪聲（探測的高能粒子）和沖擊噪聲等（來源不明，此類噪聲表現為雜散點，可導致聚類的閃電“組”遠超于真實的閃電“組”個數）。不同CCD面元噪聲在總噪聲中所占的比例和降噪方法有所不同[17]，可采用面元噪聲濾除方法，針對不同噪聲特征，對噪聲進行初步濾除。

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經面元噪聲濾除方法處理后的觀測數據中仍然存在噪聲，這些噪聲只能在聚類分析后做進一步濾除，即虛假信號濾除。風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀虛假信號濾除算法如圖3所示，對聚類分析后的閃電“事件”、“組”和“閃電”產品，首先分析特定區(qū)域是否只存在一個“事件”、“組”或“閃電”，若出現此類情況，則可能為虛假信號。然后，對聚類分析輸出的閃電產品采用如下方法濾除不同噪聲產生的虛假信號，蒙特卡洛方法濾除粒子噪聲（CCD面陣探測的高能粒子影響產生的隨機分布的噪聲），背景噪聲分析（對前一步濾除的“閃電”的重新分析來判斷背景噪聲），過渡區(qū)域濾除（明暗過渡的觀測區(qū)域，如積雪區(qū)、海岸線和云邊緣等），閃爍濾除（濾除太陽光散射影響衛(wèi)星觀測平臺），邊緣濾除（濾除CCD面陣邊緣的噪聲），關聯(lián)濾除（區(qū)域絕大部分閃電“事件”為虛假“事件”，那么該區(qū)域剩余的相關“事件”也為虛假“事件”），“組”濾除（如果“閃電”只包含一個“組”，那么判斷這個“閃電”為虛假“閃電”）。

圖3　虛假信號濾除算法流程圖Fig.3　Flow chart of false signal filtering algorithm

2.2聚類算法

2.2.1模擬代理數據生成

由于云層的散射和吸收作用，閃電發(fā)出的光輻射[18]在云層中傳輸，光輻射強度會發(fā)生衰減，由于閃電光源非穩(wěn)態(tài)光源的特殊性，應用蒙特卡羅方法可較為準確地模擬閃電光輻射在云中的輻射傳輸過程[19]。此外，由于衛(wèi)星探測的閃電光輻射來自于云頂，因此需利用云頂高度訂正提高閃電定位精度[20]。由于云層對閃電光輻射的影響較為復雜，這里暫不對該過程進行分析。

風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀模擬代理數據的生成方法如下，首先假定光脈沖的位置和發(fā)生時間，其次生成正態(tài)分布的光脈沖對應的電流幅值，最后利用經驗分布函數[21]和電流幅值，獲得“發(fā)光事件”的輻亮度值，以及每個光脈沖對應的光子分布。代理數據模擬結果如圖4所示。圖4a所示為模擬的光子分布，圖4b所示為由光子分布得到的輻亮度分布，圖中的輻亮度值是各格點光輻亮度的疊加值，圖中顏色變化對應于不同范圍的輻亮度值，輻亮度的單位為μJ?m-2?sr-1。模擬區(qū)域范圍為10°×10°，格點大小為0.1°×0.1°?？梢钥闯?，光子數集中區(qū)域，光輻亮度較強。利用上述方法獲得的模擬代理數據已應用于風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀的聚類算法仿真測試。

2.2.2聚類算法

聚類算法的作用是將閃電“事件”聚類為“組”和“閃電”，如圖5所示，建立閃電“事件”、“組”和“閃電”呈結構樹狀的級聯(lián)關系。“組”由同一幀相鄰CCD面元的“事件”構成，而“閃電”由時間間隔不大于330ms，空間距離不大于16.5km的“組”構成。這里定義的“閃電”對應于一次真實的閃電過程，而“組”則對應于地閃的一次回擊或云閃的一次K變化，但并不是一一對應的關系，一次閃電包含的“組”的個數可能大于實際的“閃擊”個數，因為“閃擊”之間的放電過程可能也會被判斷為“組”。

圖5　聚類算法示意圖[17]Fig.5　Diagram of clustering algorithm[17]

閃電成像儀產品生成算法流程圖如圖6所示，將經噪聲濾除后的L1級閃電產品作為輸入數據，對閃電“事件”進行聚類分析，首先判斷該“事件”輻亮度是否滿足探測閾值，進而判斷其是否屬于已有的“組”，如屬于已有的“組”，則將其聚類為該“組”，否則將其定義為一個新的“組”；然后判斷該“事件”所屬的“組”是否屬于已有的“閃電”，如屬于已有的“閃電”，則將其聚類為該“閃電”，否則將其定義為一個新的“閃電”。若一個“事件”被歸為多個“組”，則將這些“組”合并為同一個“組”，然后將該“事件”歸為這個“組”。若一個“組”被歸為多個“閃電”，則將這些“閃電”合并為同一個“閃電”，然后將該“組”歸為這個“閃電”最后輸出“事件”，“組”，和“閃電”的位置經度和緯度等信息，進而建立“事件”，“組”，和“閃電”的呈樹狀結構的從屬關系。

圖6　閃電成像儀產品算法算法流程圖Fig.6　Flow chart of product generated algorithm

風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀產品生成算法綜合了虛假信號濾除算法和聚類算法，在產品生成算法的設計中考慮了中國地區(qū)閃電分布特征，參考同步觀測的衛(wèi)星云檢測和云相態(tài)產品中的云類型識別等信息，進一步濾除虛假信號，提高閃電產品定位精度。衛(wèi)星發(fā)射前，閃電成像儀的探測率和虛警率需根據試驗室儀器正樣測試結果進行預估[4]，衛(wèi)星發(fā)射后利用在軌觀測數據結合其他閃電定位產品進行準確評估。未來計劃基于閃電成像儀全面陣背景觀測數據，采用深對流云目標觀測方法對閃電成像儀777.4nm通道儀器輻射衰減特性進行評估；利用閃電成像儀在軌觀測數據，中國地基閃電定位網閃電定位產品和雷達觀測產品，開展閃電成像儀產品生成算法的檢驗和閃電探測產品的驗證。

3　結論與展望

本文主要介紹了衛(wèi)星閃電成像儀的工作原理和產品生成算法，在此基礎上對即將應用于觀測的風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀做了詳細介紹。

1）靜止衛(wèi)星閃電成像儀通過探測777.4nm中性氧原子近紅外吸收譜線的閃電光輻射實現閃電定位，包括用于觀測發(fā)光“事件”的CCD面陣，用于星上數據預處理和背景信號濾除的星上實時事件處理器，用于數據定標定位和產品生成的地面處理系統(tǒng)?？梢詾閺妼α鲗訉崟r監(jiān)測、預警預報提供有益的觀測信息，具有重要的應用前景。

2）閃電成像儀星上RTEP算法主要采用多幀背景評估方法，確定背景光強度，實現對CCD面陣探測的原始觀測數據進行背景光濾除。此外，針對不同噪聲，采用不同的噪聲濾除方法，減小噪聲對閃電觀測的影響。

3）閃電成像儀產品算法采用虛假信號濾除和聚類分析方法，對經定標定位處理后的閃電成像儀觀測數據進行進一步處理。首先濾除發(fā)光“事件”中的虛假“事件”，然后利用聚類分析將閃電“事件”聚類為“組”和“閃電”，參考云檢測和云相態(tài)產品中的云類型識別等信息，進一步濾除虛假“閃電”產品，最后輸出聚類分析得到的閃電“事件”、“組”和“閃電”的發(fā)生時間、位置和強度等信息，以及基于結構樹的閃電“事件”、“組”和“閃電”之間的從屬關系。

風云四號靜止衛(wèi)星閃電成像儀將實現對中國及周邊地區(qū)的閃電活動全天候連續(xù)觀測，提供覆蓋范圍廣、時間分辨率高的總閃分布數據，可用于分析中國地區(qū)閃電分布特征，實時閃電定位產品的應用，對于研究強對流天氣過程，實現雷暴預警和預報，對流初生判斷，強風暴活動的提前預警等有重要意義。

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The Development of Product Algorithm of the Fengyun-4 Geostationary Lightning Mapping Imager

Cao Dongjie
(Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites,National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:The lightning mapping imager equipped on the satellite is a new technique for lightning observation.The lightning imager equipped on the geostationary satellite could map the optical emission from the lightning discharge and locate the flash.The FY-4 geostationary lightning mapping imager could observe lightning activities continuously,and provide for the severe weather forecasting and lightning activity characterization in China.The paper showed the development of observation method and product algorithm of the satellite lightning imager,discussed the instrument and introduced product algorithm of the lightning imager.

Keywords:lightning imager,real-time event processing,false signals filtering algorithm,cluster analysis

收稿日期：2015年9月11日；修回日期：2015年12月18日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.014

作者：曹冬杰（1980—），Email:caodj@cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學基金（41305015）