我國首臺地球靜止軌道閃電成像儀成功在軌運行全身“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，中國國家氣象局發(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影像。本次發(fā)布的閃電數(shù)據(jù)為2017年2月13日對澳大利亞西部天鵝谷（Swan Valley）地區(qū)一次強雷暴的全過程數(shù)據(jù)，該次探測完整再現(xiàn)了該地區(qū)強雷暴的產(chǎn)生-發(fā)展-結(jié)束全過程中的閃電發(fā)生情況，全過程持續(xù)約6h。此批影像由我國2016年12月發(fā)射的風(fēng)云-4氣象衛(wèi)星閃電成像儀探測。該閃電成像儀由北京空間機電研究所研制，是我國首臺地球靜止軌道閃電探測儀器，填補了我國天基閃電探測方面的空白。

1 “抓閃電”的那些超能力

自2016年12月風(fēng)云-4發(fā)射以來，閃電成像儀在軌工作正常，北京空間機電研究所配合國家氣象局完成了多批閃電探測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臺地球靜止軌道閃電成像儀之一，也是首臺對外公布觀測數(shù)據(jù)的探測儀。

北京空間機電研究所閃電成像儀主任設(shè)計師鮑書龍介紹說：“閃電成像儀是一雙敏銳的‘眼睛’”，每秒可探測500張閃電圖，實現(xiàn)對中國及周邊區(qū)域24h不間斷的閃電實時探測，而這都源于它具備的一些超能力。

它是個“快刀手”，每2ms就探測一次中國及周邊閃電情況，探測速度是國內(nèi)大范圍閃電探測速度最快的；它是遙感器中的“壽星”，具有7年超長的在軌不間斷實時閃電探測能力；它是個“大廣角”，一次可實時實現(xiàn)全中國和部分鄰居的閃電探測與監(jiān)測；它是個不休息的“攝影師”，舉起鏡頭，能夠?qū)崿F(xiàn)6幀/s地面圖像的獲取，實時監(jiān)測云層、強對流氣團的運動；它還是個“智能型”選手，具有在軌探測算法全部更改能力，閃電探測效率能力強。

“閃電成像儀是個勤奮的‘拼命三郎’”，閃電成像儀副主任設(shè)計師梁華笑著說：“通過分析每張照片的時間、空間和光譜信息，它能夠?qū)崟r將混有閃電事件的云層真實地提取出來，再用閃電探測算法將閃電事件進一步‘淬煉’出來，1幀畫面可以抓住120個最強閃電事件，隨后丟棄原始成像圖，只將閃電數(shù)據(jù)傳回地面，經(jīng)過閃電產(chǎn)品的專業(yè)處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)閃電和強對流天氣預(yù)警預(yù)報了?！?/p>

2 超能力背后的“黑科技”

早在2003年，北京空間機電研究所閃電成像儀項目組成立。當(dāng)時，我國關(guān)于閃電探測的研究尚處于空白。從太空中看到的閃電會是什么樣子的？無人清楚。美國航空航天局（NASA）公布資料中的只言片語、歐洲航天局（ESA）公開的會議材料，甚至日本同類型產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都是研制團隊搜集、學(xué)習(xí)、消化的對象。

漸漸地，研制團隊認識到在太空看閃電和在地面看閃電，差別可真是“天上地下”。人們在地面看到的閃電是連續(xù)的、非常高的線條狀的，而在太空中探測的閃電是疊加在云層上的一個個隨機的離散的點狀目標(biāo)。由于云層對陽光的強反射，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，由于觀測范圍廣，觀測范圍內(nèi)的背景反差大，白天情況下閃電淹沒在背景之中。因此，白天在軌實時探測大反差、強背景上隨機點源的閃電非常困難。

鮑書龍介紹說：“經(jīng)過13年的探索攻關(guān)，北京空間機電研究所閃電成像儀研制團隊先后掌握了大口徑超窄帶濾光片、大視場小F數(shù)（F數(shù)1.0）雙鏡頭組件視場拼接、高幀率大動態(tài)范圍面陣焦平面組件、實時事件處理器、閃電場景實驗室模擬等數(shù)十項新技術(shù)?！闭沁@些首次應(yīng)用于我國空間光學(xué)遙感載荷產(chǎn)品的“黑科技”，造就了風(fēng)云-4衛(wèi)星閃電探測儀的超能力。

閃電成像儀采用超窄帶濾光片，將能量強大的陽光背景擋在“門外”，只允許和閃電“身材”相當(dāng)?shù)墓庾V進入，這樣就使得柔弱的閃電信號在陽光下“現(xiàn)了真身”；采用“冬暖夏涼”的主被動溫控措施，保證“嬌嫩”的超窄帶濾光片每天在陽光直照時超過+90℃的火爐中、背陰時低于-90℃的冷庫中都溫暖如春；采用國內(nèi)自主研制的高幀率、大動態(tài)、高靈敏度探測器，使得閃電成像儀具備超強視力，看得見黑夜中的細發(fā)，看得清強光中的秋毫，能夠適應(yīng)8000倍的亮度變化；利用在軌高速實時事件處理器，在2ms時間內(nèi)完成10.08G數(shù)據(jù)處理，實時完成陽光背景評估與去除，利用其火眼金睛將閃電信號探測出來，同時在2ms時間內(nèi)完成所有結(jié)果的強弱排序，保留最強的120個閃電信號，編碼“匯報”至地面。更值得欣喜的是，北京空間機電研究所研制團隊攻克的這些新技術(shù)不為閃電成像儀獨屬，多項可應(yīng)用于我國高軌衛(wèi)星載荷研制。

3 閃電探測產(chǎn)品應(yīng)用廣泛、惠及多方

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國公布的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、計算機網(wǎng)絡(luò)到每個家庭的家用電器都會受到雷電災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。據(jù)有關(guān)部門估計，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10000人，其中死亡人數(shù)超過3000人，造成直接經(jīng)濟損失超過10億美元。

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

目前，中國國家氣象局在京津冀地區(qū)、長江中下游地區(qū)和珠三角地區(qū)都建設(shè)了具有云閃探測功能的區(qū)域性閃電監(jiān)測系統(tǒng)，這為進一步提高中國雷電科研和防護的整體能力打下了基礎(chǔ)，中國現(xiàn)代雷電災(zāi)害防御保障體系正在進一步完善之中。但與發(fā)達國家相比，目前中國大城市防雷減災(zāi)體系仍存在差距，主要是綜合探測能力和預(yù)測預(yù)警水平有待提高，雷電防護的科技水平和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及管理措施尚待完善。

由于地面閃電探測系統(tǒng)作用范圍小、站點布置少、站點不連續(xù)等原因，地基閃電探測網(wǎng)在閃電探測、監(jiān)測，強對流天氣預(yù)警、預(yù)報和跟蹤等方面作用較小，無法有效進行全國范圍，尤其是海洋等地方的閃電探測與預(yù)報。

太空中的閃電探測，尤其是地球靜止軌道閃電探測，具有24h不間斷、覆蓋范圍大、無死角、實時性好等優(yōu)點，可以采用凝視的方式實現(xiàn)對中國及周邊區(qū)域閃電的24h不間斷的實時探測、預(yù)報，實現(xiàn)強對流天氣（雷暴、臺風(fēng)）的短時、實時預(yù)警預(yù)報，降低人民生命財產(chǎn)損失，為人類社會活動、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信、航空、航天、航海、交通運輸?shù)忍峁?zāi)害預(yù)警預(yù)報，是世界上有研制能力的國家優(yōu)先采用的閃電探測方式。

風(fēng)云-4閃電成像儀成功在軌標(biāo)志著我國閃電探測的新起點，有了這位恪盡職守的太空“臥底”，我們能夠?qū)崿F(xiàn)我國雷電、強對流天氣的實時監(jiān)測。將閃電探測結(jié)果與云圖疊加起來，可以實現(xiàn)對閃電災(zāi)害、強對流天氣的短時、實時預(yù)警預(yù)報，降低雷電、強對流天氣對我國航空、航天、航海、交通運輸、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)暴的實時預(yù)報等方面，閃電成像儀能力突出。

鮑書龍說：“我們將繼續(xù)協(xié)助用戶開展閃電成像儀在軌測試工作，重點進行閃電探測性能在軌驗證，將為2017年6月后我國汛期的雷電監(jiān)測與預(yù)報提供支持?！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)是免費共享的。閃電成像儀探測的影像產(chǎn)品不僅可以服務(wù)于我國國民經(jīng)濟建設(shè)，還可以惠及其凝視范圍內(nèi)的其他鄰國，彰顯我國睦鄰友好的大國形象。