静止轨道闪电探测性能实验室验证技术研究

李云飞 鲍书龙 王志强 唐绍凡 张如意



静止轨道闪电探测性能实验室验证技术研究

李云飞1鲍书龙1王志强1唐绍凡1张如意2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2 上海卫星工程研究所，上海 200240）

在空间遥感领域，闪电是具有代表性的瞬态点源随机多目标，闪电与雷暴等强对流气象现象有着密切的联系，通过对闪电的观测可获取雷暴雨等强对流天气的分布、变化、定位、预报。作为有代表性的瞬态点源目标，通过对特定区域的闪电进行连续观察，可以统计出该区域闪电发生的频次和闪电发生周期等特征信息，从而为闪电的预报提供科学依据。由于缺少云顶闪电辐射、闪电分布、闪电瞬态特性等参数，地面模拟缓变的云层、陆地与海洋等背景和云顶闪电存在较大的困难，静止轨道闪电探测类相机的探测率（Lightning Detection Efficiency，LDE）、虚警率（False Alarm Rate，FAR）等探测性能验证由于目标特性的不确定性也变得更加困难。基于闪电信号及云背景的光学辐射特性参数，文章对闪电目标及云背景进行了模拟，实现了实验室闪电场景模拟系统。文章论述了在实验室中利用静止轨道闪电探测相机对模拟的云顶闪电和背景进行成像与探测的试验，通过对探测结果进行综合统计、比对与分析，验证静止轨道瞬态随机点源目标探测类相机的探测性能，为相机的交付和在轨运行提供有力的保障。

瞬态随机点源多目标 探测相机 探测率 虚警率 实验室验证 空间遥感

0 引言

闪电是具有代表性的瞬态点源随机多目标，闪电与雷暴等强对流气象现象有着密切的联系，通过对闪电的观测可获取雷暴雨等强对流天气的分布、变化、定位、预报[1]。

地球静止轨道点源目标探测类相机不同于国内已往研制的其他遥感器，这种不同来源于观测目标的特点和观测条件的特殊性，设计所需要的基本参数（包括点源目标及云背景的空间特性、时间特性和辐射特性），都没有第一手资料可循，几乎所有的基本数据和数学模型都来自国外。而国外的研究资料对同一问题的描述又有差别，甚至是较大的差别[2-4]。在这种情况下，标定和验证就显得尤为重要，只有通过在实验室模拟验证的方式找出最佳的评价手段，从而对静止轨道点源目标探测类相机各项性能指标进行标定与验证。美国在研制静止轨道点源目标探测类相机的过程中，进行了大量的实验室标定与验证研究，取得了很好的效果[5-6]。

基于静止轨道点源目标探测类相机的特性和成像特点，在实验室实现了对闪电点源目标及云背景的场景特性模拟，并验证了此类相机的两个关键性能指标探测率（Lightning Detection Efficiency，LDE）和虚警率（False Alarm Rate，FAR）。

1 静止轨道点源目标探测类相机的特点与验证内容

白天，点源目标信号往往被云层、陆地、海洋和绿色植被的强反射阳光背景噪声掩盖，使得白天探测点源目标极端困难，唯一的方法是对亮背景情况下的点源目标进行增强与极值化的处理。静止轨道点源目标探测类相机利用了瞬态点源目标和背景噪声之间存在时间、空间和光谱特性上的较大差异这一有利条件，采用光谱滤波、空间滤波、帧—帧背景去除三种方法的组合来实现瞬态多点源目标的增强与探测[7-9]。相机采用中心谱线777.4nm、带宽仅有1nm的超窄带滤光片实现了光谱滤波，从而将闪电的特征谱线提取出来；采用高帧率、大动态范围的实时事件处理器来实现了在空间维的目标识别；并且基于目标及背景在发生时间上的显著差异，采用帧—帧背景去除的方式有效消除了云背景对闪电目标信号的影响。

基于上述相机的特性和成像特点，在实验室对其性能指标进行针对性的LDE和FAR验证，验证的内容及要求如表1所示。

表1 验证内容及要求

Tab.1 Verification contents and requirements

2 点源目标探测类相机的验证方案

地球静止轨道点源目标探测类相机在轨性能探测的结果主要体现为LDE和FAR，LDE是在静止轨道点源目标探测类相机视场覆盖范围内发生的全部点源目标中，被相机正确探测到的点源目标所占的百分率，LDE是反映静止轨道点源目标探测类相机探测性能的关键技术指标。虚警的产生主要由于实时事件处理器在背景减光或点源目标，提取过程中因仪器误差将某个噪声错误判读为一个点源目标，FAR是静止轨道点源目标探测类相机探测到的全部点源目标中虚假事件所占的百分率。根据静止轨道点源目标探测类相机的特点，LDE和FAR只有在卫星发射后，通过比对卫星实际观测数据与地面验证数据，才能得到真正可靠的评估结果[10]。闪电绘图仪（Lightning Imaging Sensor，LIS）和光学瞬态探测器（Optical Transient Detector，OTD）的LDE和FAR，就是卫星在轨工作一段时间后利用产品数据检验得到的评估结果[11-14]。

对静止轨道点源目标探测类相机的定量标定需要在轨实际探测点源目标才可能实现。目前，LDE和FAR的验证是基于实验室模拟场景下测得，和自然界真正的点源目标有一定的区别。

实验室模拟验证基本思路如下所述，相机接收到经过无限远场景准直系统的点源目标及云背景模拟信号，探测出模拟的点源目标；在静止轨道点源目标探测类相机工作的同时高速成像系统接收到同样的综合信号，探测出模拟的点源目标。将静止轨道点源目标探测类相机探测结果、高速成像系统探测结果、点源目标模拟结果进行探测结果校准，然后采“三二判决”进行分析、比对、统计，最终得出静止轨道点源目标探测类相机在实验室点源目标LDE和FAR的统计结果，验证示意框图如图1所示。

3 点源目标探测验证系统

验证LDE和FAR需要的设备包括：

1）实验室点源目标场景模拟系统；

2）高速数据记录与处理系统。

3.1 实验室闪电场景模拟系统

通过对点源目标在云层中的传输机理及对云顶层照亮情况的研究，获得点源目标照亮云顶层的能量辐射特性[15-16]，进行点源目标地面应用系统研究，建立一套实验室点源目标场景模拟系统。

根据点源目标发生的随机性、以及地面观察与在云顶上方观察的不一致性等特点，模拟了点源目标的各种光学辐射特性参数，主要包括：光谱特性、光谱辐射强度、云顶反射系数、点源目标持续时间、照亮云顶面积、太阳反射光谱辐射强度及时间特性。在对静止轨道点源目标探测类相机进行检测时，点源目标场景模拟系统的设定参数和静止轨道点源目标探测类相机的设计参数应与静止轨道点源目标探测类相机在轨环境参数匹配起来[17]，从而保证模拟检测的可靠性，为静止轨道点源目标探测类相机提供准确有效的验证与标定手段，实验室场景模拟系统原理框图如图2所示。

实验室点源目标场景模拟系统采用可调谐激光器作为模拟点源目标源，通过扩束镜和高精度三角斩波器产生模拟的点源目标；利用多组二维随机指向装置和分光棱镜的组合，实现不同强度点源目标脉冲的全视场随机分布，并实时定位激光光斑的位置；利用光谱辐亮度计实时监测反射镜反射的激光束光强，利用调谐可变功率激光器和变倍扩束系统、可变衰减片来调节激光束强度，以模拟不同强度的点源目标。同时缓慢变化的背景图像通过高亮的投影设备投影到屏上，用以模拟云层反射的阳光背景。

实验室点源目标场景模拟系统的技术状态如下：

模拟点源目标光谱精度/nm：0.05；

模拟点源目标光谱范围/nm：700~850；

模拟点源目标光谱辐亮度范围/（W/(m²·μm·Sr)）：3.0~700.0；

模拟点源目标云顶反射系数：50%~90%；

模拟点源目标持续时间/μs：50~1 000；

模拟点源目标脉冲波形：近似三角波；

模拟点源目标脉冲随机性：全场景内概率均等；

模拟景物与静止轨道点源目标探测类相机之间的距离/m：≥16；

模拟景物尺寸：≥1.40m×2.80m；

模拟点源目标照亮云顶面积（分段可调）/mm：1.75、2.6、3.5、4.6、5.25；

模拟云背景辐亮度范围/（W/(m²·μm·Sr)）：0.0~396.0（波长：777.4nm±10nm）；

模拟云背景变化周期/min：>5；

漫反射板的反射效率：50%~90%。

3.2 高速数据记录与处理系统

高速数据记录与处理系统包括两部分，功能包括同时接收与存储静止轨道点源目标探测类相机和高速成像系统的数据，完成对静止轨道点源目标探测类相机图像与高速成像系统图像的实时处理，并完成静止轨道点源目标探测类相机与高速成像系统数据的对比与评价。系统实现示意图如图3所示。

数据处理系统在得到点源目标模拟信号及点源背景场景模拟信号的各种工作参数和状态参数的基础上，同时获取静止轨道点源目标探测类相机的探测结果和高速摄像机的探测结果，对3种数据进行分析、比对和统计，得出静止轨道点源目标探测类相机的LDE以及FAR。

假设点源目标数目为，静止轨道点源目标探测类相机实际探测到的数目为，经过综合分析、判断后，核实确实发生而又被静止轨道点源目标探测类相机探测到的点源目标数目为（通常≤），即：

LDE=/

FAR=（–）/

4 点源目标探测类相机的验证结果

利用实验室点源目标场景模拟系统的实物瞬态点源目标模拟系统和高速数据记录与处理系统对静止轨道点源目标探测类相机进行了LDE和FAR试验验证，试验共模拟点源目标约200万个，利用静止轨道点源目标探测类相机和高速摄像机同时对模拟的背景和点源目标实时成像，分别探测出瞬态点源目标，再利用二维随机指向装置、高速摄像机探测结果和静止轨道点源目标探测类相机探测结果进行比对、分析和统计，得出静止轨道点源目标探测类相机的LDE和FAR结果如表2所示，某一时刻的模拟背景与点源目标图像以及静止轨道点源目标探测类相机探测结果如图4所示。

表2 静止轨道点源目标探测类相机LDE与FAR验证结果

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

5 结束语

利用实验室闪电场景模拟系统的物理模拟方法能够有效实现高反差强背景下的瞬态点源目标模拟，在进行静止轨道点源目标探测类相机性能验证时能够有效检验该类相机的目标探测性能。该方法具有广阔的应用前景和广泛的应用价值，适用于探测率相机发射前的性能评价，可以为在轨可靠运行提供保障。

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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

李云飞，男，1980年生，2001年获南京理工大学光学技术与光电仪器专业学士学位，工程师。研究方向为光学遥感器定标。E-mail: leeempyrean@sina.com。

2018-05-10

（编辑：刘颖）