靜止軌道閃電探測性能實驗室驗證技術研究

李云飛 鮑書龍 王志強 唐紹凡 張如意

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靜止軌道閃電探測性能實驗室驗證技術研究

李云飛1鮑書龍1王志強1唐紹凡1張如意2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094） （2 上海衛星工程研究所，上海 200240）

在空間遙感領域，閃電是具有代表性的瞬態點源隨機多目標，閃電與雷暴等強對流氣象現象有著密切的聯系，通過對閃電的觀測可獲取雷暴雨等強對流天氣的分布、變化、定位、預報。作為有代表性的瞬態點源目標，通過對特定區域的閃電進行連續觀察，可以統計出該區域閃電發生的頻次和閃電發生周期等特征信息，從而為閃電的預報提供科學依據。由于缺少云頂閃電輻射、閃電分布、閃電瞬態特性等參數，地面模擬緩變的云層、陸地與海洋等背景和云頂閃電存在較大的困難，靜止軌道閃電探測類相機的探測率（Lightning Detection Efficiency，LDE）、虛警率（False Alarm Rate，FAR）等探測性能驗證由于目標特性的不確定性也變得更加困難?；陂W電信號及云背景的光學輻射特性參數，文章對閃電目標及云背景進行了模擬，實現了實驗室閃電場景模擬系統。文章論述了在實驗室中利用靜止軌道閃電探測相機對模擬的云頂閃電和背景進行成像與探測的試驗，通過對探測結果進行綜合統計、比對與分析，驗證靜止軌道瞬態隨機點源目標探測類相機的探測性能，為相機的交付和在軌運行提供有力的保障。

瞬態隨機點源多目標 探測相機 探測率 虛警率 實驗室驗證 空間遙感

0 引言

閃電是具有代表性的瞬態點源隨機多目標，閃電與雷暴等強對流氣象現象有著密切的聯系，通過對閃電的觀測可獲取雷暴雨等強對流天氣的分布、變化、定位、預報[1]。

地球靜止軌道點源目標探測類相機不同于國內已往研制的其他遙感器，這種不同來源于觀測目標的特點和觀測條件的特殊性，設計所需要的基本參數（包括點源目標及云背景的空間特性、時間特性和輻射特性），都沒有第一手資料可循，幾乎所有的基本數據和數學模型都來自國外。而國外的研究資料對同一問題的描述又有差別，甚至是較大的差別[2-4]。在這種情況下，標定和驗證就顯得尤為重要，只有通過在實驗室模擬驗證的方式找出最佳的評價手段，從而對靜止軌道點源目標探測類相機各項性能指標進行標定與驗證。美國在研制靜止軌道點源目標探測類相機的過程中，進行了大量的實驗室標定與驗證研究，取得了很好的效果[5-6]。

基于靜止軌道點源目標探測類相機的特性和成像特點，在實驗室實現了對閃電點源目標及云背景的場景特性模擬，并驗證了此類相機的兩個關鍵性能指標探測率（Lightning Detection Efficiency，LDE）和虛警率（False Alarm Rate，FAR）。

1 靜止軌道點源目標探測類相機的特點與驗證內容

白天，點源目標信號往往被云層、陸地、海洋和綠色植被的強反射陽光背景噪聲掩蓋，使得白天探測點源目標極端困難，唯一的方法是對亮背景情況下的點源目標進行增強與極值化的處理。靜止軌道點源目標探測類相機利用了瞬態點源目標和背景噪聲之間存在時間、空間和光譜特性上的較大差異這一有利條件，采用光譜濾波、空間濾波、幀—幀背景去除三種方法的組合來實現瞬態多點源目標的增強與探測[7-9]。相機采用中心譜線777.4nm、帶寬僅有1nm的超窄帶濾光片實現了光譜濾波，從而將閃電的特征譜線提取出來；采用高幀率、大動態范圍的實時事件處理器來實現了在空間維的目標識別；并且基于目標及背景在發生時間上的顯著差異，采用幀—幀背景去除的方式有效消除了云背景對閃電目標信號的影響。

基于上述相機的特性和成像特點，在實驗室對其性能指標進行針對性的LDE和FAR驗證，驗證的內容及要求如表1所示。

表1 驗證內容及要求

Tab.1 Verification contents and requirements

2 點源目標探測類相機的驗證方案

地球靜止軌道點源目標探測類相機在軌性能探測的結果主要體現為LDE和FAR，LDE是在靜止軌道點源目標探測類相機視場覆蓋范圍內發生的全部點源目標中，被相機正確探測到的點源目標所占的百分率，LDE是反映靜止軌道點源目標探測類相機探測性能的關鍵技術指標。虛警的產生主要由于實時事件處理器在背景減光或點源目標，提取過程中因儀器誤差將某個噪聲錯誤判讀為一個點源目標，FAR是靜止軌道點源目標探測類相機探測到的全部點源目標中虛假事件所占的百分率。根據靜止軌道點源目標探測類相機的特點，LDE和FAR只有在衛星發射后，通過比對衛星實際觀測數據與地面驗證數據，才能得到真正可靠的評估結果[10]。閃電繪圖儀（Lightning Imaging Sensor，LIS）和光學瞬態探測器（Optical Transient Detector，OTD）的LDE和FAR，就是衛星在軌工作一段時間后利用產品數據檢驗得到的評估結果[11-14]。

對靜止軌道點源目標探測類相機的定量標定需要在軌實際探測點源目標才可能實現。目前，LDE和FAR的驗證是基于實驗室模擬場景下測得，和自然界真正的點源目標有一定的區別。

實驗室模擬驗證基本思路如下所述，相機接收到經過無限遠場景準直系統的點源目標及云背景模擬信號，探測出模擬的點源目標；在靜止軌道點源目標探測類相機工作的同時高速成像系統接收到同樣的綜合信號，探測出模擬的點源目標。將靜止軌道點源目標探測類相機探測結果、高速成像系統探測結果、點源目標模擬結果進行探測結果校準，然后采“三二判決”進行分析、比對、統計，最終得出靜止軌道點源目標探測類相機在實驗室點源目標LDE和FAR的統計結果，驗證示意框圖如圖1所示。

3 點源目標探測驗證系統

驗證LDE和FAR需要的設備包括：

1）實驗室點源目標場景模擬系統；

2）高速數據記錄與處理系統。

3.1 實驗室閃電場景模擬系統

通過對點源目標在云層中的傳輸機理及對云頂層照亮情況的研究，獲得點源目標照亮云頂層的能量輻射特性[15-16]，進行點源目標地面應用系統研究，建立一套實驗室點源目標場景模擬系統。

根據點源目標發生的隨機性、以及地面觀察與在云頂上方觀察的不一致性等特點，模擬了點源目標的各種光學輻射特性參數，主要包括：光譜特性、光譜輻射強度、云頂反射系數、點源目標持續時間、照亮云頂面積、太陽反射光譜輻射強度及時間特性。在對靜止軌道點源目標探測類相機進行檢測時，點源目標場景模擬系統的設定參數和靜止軌道點源目標探測類相機的設計參數應與靜止軌道點源目標探測類相機在軌環境參數匹配起來[17]，從而保證模擬檢測的可靠性，為靜止軌道點源目標探測類相機提供準確有效的驗證與標定手段，實驗室場景模擬系統原理框圖如圖2所示。

實驗室點源目標場景模擬系統采用可調諧激光器作為模擬點源目標源，通過擴束鏡和高精度三角斬波器產生模擬的點源目標；利用多組二維隨機指向裝置和分光棱鏡的組合，實現不同強度點源目標脈沖的全視場隨機分布，并實時定位激光光斑的位置；利用光譜輻亮度計實時監測反射鏡反射的激光束光強，利用調諧可變功率激光器和變倍擴束系統、可變衰減片來調節激光束強度，以模擬不同強度的點源目標。同時緩慢變化的背景圖像通過高亮的投影設備投影到屏上，用以模擬云層反射的陽光背景。

實驗室點源目標場景模擬系統的技術狀態如下：

模擬點源目標光譜精度/nm：0.05；

模擬點源目標光譜范圍/nm：700~850；

模擬點源目標光譜輻亮度范圍/（W/(m2·μm·Sr)）：3.0~700.0；

模擬點源目標云頂反射系數：50%~90%；

模擬點源目標持續時間/μs：50~1 000；

模擬點源目標脈沖波形：近似三角波；

模擬點源目標脈沖隨機性：全場景內概率均等；

模擬景物與靜止軌道點源目標探測類相機之間的距離/m：≥16；

模擬景物尺寸：≥1.40m×2.80m；

模擬點源目標照亮云頂面積（分段可調）/mm：1.75、2.6、3.5、4.6、5.25；

模擬云背景輻亮度范圍/（W/(m2·μm·Sr)）：0.0~396.0（波長：777.4nm±10nm）；

模擬云背景變化周期/min：>5；

漫反射板的反射效率：50%~90%。

3.2 高速數據記錄與處理系統

高速數據記錄與處理系統包括兩部分，功能包括同時接收與存儲靜止軌道點源目標探測類相機和高速成像系統的數據，完成對靜止軌道點源目標探測類相機圖像與高速成像系統圖像的實時處理，并完成靜止軌道點源目標探測類相機與高速成像系統數據的對比與評價。系統實現示意圖如圖3所示。

數據處理系統在得到點源目標模擬信號及點源背景場景模擬信號的各種工作參數和狀態參數的基礎上，同時獲取靜止軌道點源目標探測類相機的探測結果和高速攝像機的探測結果，對3種數據進行分析、比對和統計，得出靜止軌道點源目標探測類相機的LDE以及FAR。

假設點源目標數目為，靜止軌道點源目標探測類相機實際探測到的數目為，經過綜合分析、判斷后，核實確實發生而又被靜止軌道點源目標探測類相機探測到的點源目標數目為（通?！埽?，即：

LDE=/

FAR=（–）/

4 點源目標探測類相機的驗證結果

利用實驗室點源目標場景模擬系統的實物瞬態點源目標模擬系統和高速數據記錄與處理系統對靜止軌道點源目標探測類相機進行了LDE和FAR試驗驗證，試驗共模擬點源目標約200萬個，利用靜止軌道點源目標探測類相機和高速攝像機同時對模擬的背景和點源目標實時成像，分別探測出瞬態點源目標，再利用二維隨機指向裝置、高速攝像機探測結果和靜止軌道點源目標探測類相機探測結果進行比對、分析和統計，得出靜止軌道點源目標探測類相機的LDE和FAR結果如表2所示，某一時刻的模擬背景與點源目標圖像以及靜止軌道點源目標探測類相機探測結果如圖4所示。

表2 靜止軌道點源目標探測類相機LDE與FAR驗證結果

Tab.2 LDE and FAR verification results of point source target detecting camera on geostationary orbit

5 結束語

利用實驗室閃電場景模擬系統的物理模擬方法能夠有效實現高反差強背景下的瞬態點源目標模擬，在進行靜止軌道點源目標探測類相機性能驗證時能夠有效檢驗該類相機的目標探測性能。該方法具有廣闊的應用前景和廣泛的應用價值，適用于探測率相機發射前的性能評價，可以為在軌可靠運行提供保障。

[1] 鮑書龍, 唐紹凡, 李云飛, 等. 靜止軌道瞬態點源多目標閃電信號實時探測技術[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(9): 2390-2395. BAO Shulong, TANG Shaofan, LI Yunfei, et al. Real-time Detection Technology of Instantaneous Point-source Multi-target Lightning Signal on the Geostationary Orbit[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(9): 2390-2395. (in Chinese)

[2] BERGSTROME J W. Functional Test and Calibration Plan for Lightning Imaging Sensor[C]// SPIE. San Diego, CA, USA, 1992.

[3] FINKE U. Characterising the Lightning Source for the MTG Lightning Imager Mission [R]. 2006. EUM/MTG/SOW/ 05/0025.

[4] EATON L R, POON C W, SHELTON J C. Lightning Mapper Sensor Design Study [R]. Redondo Beach, CA: TRW Defence and Space Systems Group, 1983.

[5] Goddard Space Flight Center. Geostationary Lightning Mapper (GLM) Performance and Operational Requirements [R]. 2005. 417-R-GLMPORD-0057.

[6] MACH D M, CHRISTIAN H J, BLAKESLEE R J. Performance Assessment of the Optical Transient Detector and Lightning Imaging Sensor. Part I: Predicted Diurnal Variability [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2002, 112(D9): 1318-1332.

[7] CHRISTIAN H J, BLAKESLEE R J, GOODMAN S J, et al. Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) for the Lightning Imaging Sensor (LIS)[R]. NASA/Marshall Space Flight Center, 1995.

[8] ANDERSON K. Predicting Convective Rainfall Amounts from Lightning Flash Density [R]. Orlando, Florida: 20th Conference on Severe Local Storms, 2000: 166-168.

[9] AREITIO J, HERRERO I, EZCURRA A. Lightning Characteristics in the 1992-1996 Period in the Basque Country Area: Lightning-precipitation Relationships [R]. Guntersville, Alabama: 11th International Conference on Atmospheric Electricity, 1999.

[10] LIGHT T E, SUSZCYNSKY D M, KIRKLAND M W, et al. Simulations of Lightning Optical Waveforms as Seen through Clouds by Satellites [J]. Geophys, 2001, 106: 17103-17114.

[11] BOLDI R, E WILLIAMS E, MATLIN A, et al. The Design and Evaluation of the Lightning Imaging Sensor Data Applications Display (LIS-DAD) [J]. Revista Argentina De Microbiología, 1998, 43(43): 68-68.

[12] CHRISTIAN H J, BLAKESLEE R J, GOODMAN S J. The Detection of Lightning from Geostationary Orbit[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1989, 94(D11): 13329-13337.

[13] BOCCIPPIO D J, CUMMINS K L, CHRISTIAN H J, et al. Combined Satelliteand Surface-based Estimation of the Intracloud-cloud-to-ground Lightning Ratio over the Continental United States[J]. Weather Rev, 2001, 129: 108-122.

[14] BOCCIPPIO D J, KOSHAK W, BLAKESLEE R, et al. The Optical Transient Detector (OTD): Instrument Characteristics and Cross-sensor Validation [J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2000, 17(4): 441-458.

[15] CHAUZY Serge, COQUILLAT Sylvain, SOULA Serge. On the Relevance of Lightning Imagery from Geostationary Satellite Observation for Operational Meteorological Applications[R]. 2009. UMR UPS/CNRS n 5560.

[16] AIIEN D J, PICKERING K E. Evaluation of Lightning Flash Rate Parameterization for Use in Global CTM [J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 107(D23): ACH 15-1–ACH 15-21.

[17] BOCCIPPIO D J, WONG C, GOODMAN S J. Global Validation of Single-station Schumann Resonance Lightning Location [J]. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1998, 60(7-9): 701-712.

Detectability Verification Technology Study in Lab of Instantaneous Random Point-source Multi-target Detecting Camera on the Geostationary Orbit

LI Yunfei1BAO Shulong1WANG Zhiqiang1TANG Shaofan1ZHANG Ruyi2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China）

As a typical kind of instantaneous random point source multi-target signal in space remote sensing field, lightning has close correlation with severe convection phenomena such as thunderstorm and etc. Lightning observation is available for acquiring the lightning characteristics, including its distribution, variation, position and forecasting. By observing the lightning phenomena at special area in continuous mode, the frequency and period of occurrence can be summed up statistically, thus providing scientific evidence for lightning forecasting. Lack of the lightning parameters such as cloud-top radiation, distribution and transient characteristics, it is difficult to simulate the slowly-changed cloud, cloud-top lightning and background including land and ocean. Similarly, due to the uncertainty of target properties, it is much more tough to validate lightning detection efficiency (DE) and false alarm rate (FAR) of lightning detection camera on geostationary orbit. In this paper, based on the characteristic parameters of lightning signal and cloud background, the lightning target and cloud background are simulated, and a lightning scene simulation system is implemented. How to use this kind of camera to test the simulated lighting signal and background is also discussed. From the comprehensive statistical contrast and analysis for the detection results, the detecting performance of the camera was validated, thus providing a powerful foundation for camera delivery and operation in orbit.

instantaneous random point-source multi-target; detection camera; lightning detection efficiency; false alarm rate; Lab validation; space remote sensing

V19

A

1009-8518(2018)05-0074-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.01.010

李云飛，男，1980年生，2001年獲南京理工大學光學技術與光電儀器專業學士學位，工程師。研究方向為光學遙感器定標。E-mail: leeempyrean@sina.com。

2018-05-10

（編輯：劉穎）