我國(guó)首臺(tái)地球靜止軌道閃電成像儀成功在軌運(yùn)行全身“黑科技” 充滿“抓閃電”超能力

我國(guó)首臺(tái)地球靜止軌道閃電成像儀成功在軌運(yùn)行全身“黑科技” 充滿“抓閃電”超能力

China' s First Geostationary Lightning Mapper Worked in the Orbit

本刊特約記者 楊艷

2017年2月27日，中國(guó)國(guó)家氣象局發(fā)布了風(fēng)云-4衛(wèi)星獲取的全球首批地球靜止軌道閃電探測(cè)影像。本次發(fā)布的閃電數(shù)據(jù)為2017年2月13日對(duì)澳大利亞西部天鵝谷（Swan Valley）地區(qū)一次強(qiáng)雷暴的全過(guò)程數(shù)據(jù)，該次探測(cè)完整再現(xiàn)了該地區(qū)強(qiáng)雷暴的產(chǎn)生-發(fā)展-結(jié)束全過(guò)程中的閃電發(fā)生情況，全過(guò)程持續(xù)約6h。此批影像由我國(guó)2016年12月發(fā)射的風(fēng)云-4氣象衛(wèi)星閃電成像儀探測(cè)。該閃電成像儀由北京空間機(jī)電研究所研制，是我國(guó)首臺(tái)地球靜止軌道閃電探測(cè)儀器，填補(bǔ)了我國(guó)天基閃電探測(cè)方面的空白。

1 “抓閃電”的那些超能力

自2016年12月風(fēng)云-4發(fā)射以來(lái)，閃電成像儀在軌工作正常，北京空間機(jī)電研究所配合國(guó)家氣象局完成了多批閃電探測(cè)影像的在軌處理工作。風(fēng)云-4閃電成像儀是全球同步研制的3臺(tái)地球靜止軌道閃電成像儀之一，也是首臺(tái)對(duì)外公布觀測(cè)數(shù)據(jù)的探測(cè)儀。

北京空間機(jī)電研究所閃電成像儀主任設(shè)計(jì)師鮑書(shū)龍介紹說(shuō)：“閃電成像儀是一雙敏銳的‘眼睛’”，每秒可探測(cè)500張閃電圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域24h不間斷的閃電實(shí)時(shí)探測(cè)，而這都源于它具備的一些超能力。

它是個(gè)“快刀手”，每2ms就探測(cè)一次中國(guó)及周邊閃電情況，探測(cè)速度是國(guó)內(nèi)大范圍閃電探測(cè)速度最快的；它是遙感器中的“壽星”，具有7年超長(zhǎng)的在軌不間斷實(shí)時(shí)閃電探測(cè)能力；它是個(gè)“大廣角”，一次可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)全中國(guó)和部分鄰居的閃電探測(cè)與監(jiān)測(cè)；它是個(gè)不休息的“攝影師”，舉起鏡頭，能夠?qū)崿F(xiàn)6幀/s地面圖像的獲取，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)云層、強(qiáng)對(duì)流氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)；它還是個(gè)“智能型”選手，具有在軌探測(cè)算法全部更改能力，閃電探測(cè)效率能力強(qiáng)。

“閃電成像儀是個(gè)勤奮的‘拼命三郎’”，閃電成像儀副主任設(shè)計(jì)師梁華笑著說(shuō)：“通過(guò)分析每張照片的時(shí)間、空間和光譜信息，它能夠?qū)崟r(shí)將混有閃電事件的云層真實(shí)地提取出來(lái)，再用閃電探測(cè)算法將閃電事件進(jìn)一步‘淬煉’出來(lái)，1幀畫(huà)面可以抓住120個(gè)最強(qiáng)閃電事件，隨后丟棄原始成像圖，只將閃電數(shù)據(jù)傳回地面，經(jīng)過(guò)閃電產(chǎn)品的專業(yè)處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)閃電和強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警預(yù)報(bào)了?！?/p>

2 超能力背后的“黑科技”

早在2003年，北京空間機(jī)電研究所閃電成像儀項(xiàng)目組成立。當(dāng)時(shí)，我國(guó)關(guān)于閃電探測(cè)的研究尚處于空白。從太空中看到的閃電會(huì)是什么樣子的？無(wú)人清楚。美國(guó)航空航天局（NASA）公布資料中的只言片語(yǔ)、歐洲航天局（ESA）公開(kāi)的會(huì)議材料，甚至日本同類型產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都是研制團(tuán)隊(duì)搜集、學(xué)習(xí)、消化的對(duì)象。

漸漸地，研制團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到在太空看閃電和在地面看閃電，差別可真是“天上地下”。人們?cè)诘孛婵吹降拈W電是連續(xù)的、非常高的線條狀的，而在太空中探測(cè)的閃電是疊加在云層上的一個(gè)個(gè)隨機(jī)的離散的點(diǎn)狀目標(biāo)。由于云層對(duì)陽(yáng)光的強(qiáng)反射，大部分閃電的亮度相當(dāng)于云層背景的1/10，甚至1/100。同時(shí)，由于觀測(cè)范圍廣，觀測(cè)范圍內(nèi)的背景反差大，白天情況下閃電淹沒(méi)在背景之中。因此，白天在軌實(shí)時(shí)探測(cè)大反差、強(qiáng)背景上隨機(jī)點(diǎn)源的閃電非常困難。

鮑書(shū)龍介紹說(shuō)：“經(jīng)過(guò)13年的探索攻關(guān)，北京空間機(jī)電研究所閃電成像儀研制團(tuán)隊(duì)先后掌握了大口徑超窄帶濾光片、大視場(chǎng)小F數(shù)（F數(shù)1.0）雙鏡頭組件視場(chǎng)拼接、高幀率大動(dòng)態(tài)范圍面陣焦平面組件、實(shí)時(shí)事件處理器、閃電場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)室模擬等數(shù)十項(xiàng)新技術(shù)?！闭沁@些首次應(yīng)用于我國(guó)空間光學(xué)遙感載荷產(chǎn)品的“黑科技”，造就了風(fēng)云-4衛(wèi)星閃電探測(cè)儀的超能力。

閃電成像儀采用超窄帶濾光片，將能量強(qiáng)大的陽(yáng)光背景擋在“門(mén)外”，只允許和閃電“身材”相當(dāng)?shù)墓庾V進(jìn)入，這樣就使得柔弱的閃電信號(hào)在陽(yáng)光下“現(xiàn)了真身”；采用“冬暖夏涼”的主被動(dòng)溫控措施，保證“嬌嫩”的超窄帶濾光片每天在陽(yáng)光直照時(shí)超過(guò)+90℃的火爐中、背陰時(shí)低于-90℃的冷庫(kù)中都溫暖如春；采用國(guó)內(nèi)自主研制的高幀率、大動(dòng)態(tài)、高靈敏度探測(cè)器，使得閃電成像儀具備超強(qiáng)視力，看得見(jiàn)黑夜中的細(xì)發(fā)，看得清強(qiáng)光中的秋毫，能夠適應(yīng)8000倍的亮度變化；利用在軌高速實(shí)時(shí)事件處理器，在2ms時(shí)間內(nèi)完成10.08G數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)完成陽(yáng)光背景評(píng)估與去除，利用其火眼金睛將閃電信號(hào)探測(cè)出來(lái)，同時(shí)在2ms時(shí)間內(nèi)完成所有結(jié)果的強(qiáng)弱排序，保留最強(qiáng)的120個(gè)閃電信號(hào)，編碼“匯報(bào)”至地面。更值得欣喜的是，北京空間機(jī)電研究所研制團(tuán)隊(duì)攻克的這些新技術(shù)不為閃電成像儀獨(dú)屬，多項(xiàng)可應(yīng)用于我國(guó)高軌衛(wèi)星載荷研制。

3 閃電探測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛、惠及多方

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國(guó)公布的10種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，雷擊除造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失外，還導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、信息系統(tǒng)癱瘓等事故的發(fā)生，從衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到每個(gè)家庭的家用電器都會(huì)受到雷電災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴2000次，全球每年因雷擊造成的人員傷亡超過(guò)10000人，其中死亡人數(shù)超過(guò)3000人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)10億美元。

最新統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位，我國(guó)每年因雷擊以及雷擊負(fù)效應(yīng)造成的人員死亡達(dá)3000～4000人，受傷致傷超過(guò)6000人，財(cái)產(chǎn)損失50億～100億元人民幣。

目前，中國(guó)國(guó)家氣象局在京津冀地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)和珠三角地區(qū)都建設(shè)了具有云閃探測(cè)功能的區(qū)域性閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這為進(jìn)一步提高中國(guó)雷電科研和防護(hù)的整體能力打下了基礎(chǔ)，中國(guó)現(xiàn)代雷電災(zāi)害防御保障體系正在進(jìn)一步完善之中。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前中國(guó)大城市防雷減災(zāi)體系仍存在差距，主要是綜合探測(cè)能力和預(yù)測(cè)預(yù)警水平有待提高，雷電防護(hù)的科技水平和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及管理措施尚待完善。

由于地面閃電探測(cè)系統(tǒng)作用范圍小、站點(diǎn)布置少、站點(diǎn)不連續(xù)等原因，地基閃電探測(cè)網(wǎng)在閃電探測(cè)、監(jiān)測(cè)，強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警、預(yù)報(bào)和跟蹤等方面作用較小，無(wú)法有效進(jìn)行全國(guó)范圍，尤其是海洋等地方的閃電探測(cè)與預(yù)報(bào)。

太空中的閃電探測(cè)，尤其是地球靜止軌道閃電探測(cè)，具有24h不間斷、覆蓋范圍大、無(wú)死角、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以采用凝視的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域閃電的24h不間斷的實(shí)時(shí)探測(cè)、預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣（雷暴、臺(tái)風(fēng)）的短時(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)，降低人民生命財(cái)產(chǎn)損失，為人類社會(huì)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信、航空、航天、航海、交通運(yùn)輸?shù)忍峁?zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)，是世界上有研制能力的國(guó)家優(yōu)先采用的閃電探測(cè)方式。

風(fēng)云-4閃電成像儀成功在軌標(biāo)志著我國(guó)閃電探測(cè)的新起點(diǎn)，有了這位恪盡職守的太空“臥底”，我們能夠?qū)崿F(xiàn)我國(guó)雷電、強(qiáng)對(duì)流天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將閃電探測(cè)結(jié)果與云圖疊加起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電災(zāi)害、強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)，降低雷電、強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)我國(guó)航空、航天、航海、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信等方面的危害。尤其在航空航線、海洋航線等全程閃電與風(fēng)暴的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)等方面，閃電成像儀能力突出。

鮑書(shū)龍說(shuō)：“我們將繼續(xù)協(xié)助用戶開(kāi)展閃電成像儀在軌測(cè)試工作，重點(diǎn)進(jìn)行閃電探測(cè)性能在軌驗(yàn)證，將為2017年6月后我國(guó)汛期的雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)提供支持?！贝送?，據(jù)了解，根據(jù)世界氣象組織規(guī)定，全球氣象數(shù)據(jù)是免費(fèi)共享的。閃電成像儀探測(cè)的影像產(chǎn)品不僅可以服務(wù)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，還可以惠及其凝視范圍內(nèi)的其他鄰國(guó)，彰顯我國(guó)睦鄰友好的大國(guó)形象。