星載微光探測(cè)儀器的發(fā)展及其數(shù)據(jù)應(yīng)用

胡曉華，劉松濤，潘振東，石立堅(jiān)

(1.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)，北京 100094；

2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

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星載微光探測(cè)儀器的發(fā)展及其數(shù)據(jù)應(yīng)用

胡曉華1*，劉松濤1，潘振東1，石立堅(jiān)2

(1.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)，北京 100094；

2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

摘要：星載微光探測(cè)儀器可以在低照度條件下獲取可見(jiàn)光至近紅外譜段的云圖及地面特征資料，是監(jiān)測(cè)夜間和晨昏時(shí)段低云大霧的最有效手段。本文介紹了星載微光探測(cè)原理；綜述了國(guó)內(nèi)外星載微光探測(cè)儀器的發(fā)展歷程，對(duì)其衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標(biāo)、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等做了詳細(xì)論述；最后總結(jié)了星載微光探測(cè)技術(shù)在低云大霧監(jiān)測(cè)、城市燈光和火情監(jiān)測(cè)、煙霧和塵埃監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用，它可為我國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)展相近載荷起到借鑒作用，并完善和豐富我國(guó)現(xiàn)有的氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)體系。

關(guān)鍵詞:微光探測(cè)儀器；數(shù)據(jù)應(yīng)用；星載

1引言

發(fā)生于夜間和晨昏時(shí)段等低照度條件下的低云大霧天氣，嚴(yán)重影響航空、航海、公路運(yùn)輸安全[1]。此外，低云大霧對(duì)發(fā)生于夜間和晨昏時(shí)段的軍事行動(dòng)也有重要影響，敵我雙方都十分關(guān)注該時(shí)段氣象條件。因此，識(shí)別云霧的發(fā)生、消散時(shí)間和擴(kuò)展范圍等，對(duì)預(yù)防交通事故、維護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、保障軍事行動(dòng)等具有重要意義[2]。然而可見(jiàn)光成像設(shè)備需要一定的光照條件，在夜間和晨昏時(shí)段等低照度條件下因沒(méi)有足夠的反照能量而無(wú)法成像。紅外探測(cè)器利用云和地表熱輻射亮溫成像，在低照度條件下不易區(qū)分溫度接近的地表和低云大霧。高靈敏度的微光探測(cè)器，可在低照度條件下獲取可見(jiàn)光至近紅外譜段的云圖和地面特征資料，是監(jiān)測(cè)夜間和晨昏時(shí)段低云大霧的最有效手段[3]。

目前世界上有兩個(gè)有效載荷可用于微光云圖探測(cè)，分別是搭載于美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(DMSP) Block上的業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)(OLS)[4]和搭載于美國(guó)“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)準(zhǔn)備項(xiàng)目”(NPP)上的可見(jiàn)光紅外成像儀/輻射計(jì)組(VIIRS)[5]。我國(guó)只研制了可在1/4月光甚至星光照度條件下成像的微光相機(jī)工程樣機(jī)[3]。本文介紹了星載微光探測(cè)原理；對(duì)星載微光探測(cè)儀器的衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標(biāo)、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等做了詳細(xì)論述；分析了星載微光探測(cè)技術(shù)在低云大霧監(jiān)測(cè)、城市燈光和火情監(jiān)測(cè)、煙霧和塵埃監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。

2星載微光探測(cè)原理

月光、星光和大氣輝光等微弱的“可見(jiàn)”光統(tǒng)稱微光[4]。微光云圖成像技術(shù)指夜間和晨昏等低照度條件下獲取可見(jiàn)光圖像的相關(guān)技術(shù)。星載微光探測(cè)器基本上都是對(duì)探測(cè)目標(biāo)物反射的月亮/星光輻射進(jìn)行探測(cè)的。

月亮本身并不是有效的發(fā)光體，它主要是反射太陽(yáng)光的輻射。經(jīng)月亮反射來(lái)照射地表和云層的太陽(yáng)輻射的總量取決于月相和月亮在天空中的高度。月亮的輻射并不是簡(jiǎn)單的與照明部分成線形關(guān)系的函數(shù)，這主要是因?yàn)樵卤淼陌纪共黄蕉a(chǎn)生的陰影的存在，而這種陰影在滿月照射下可以被最大限度地削弱，滿月下的輻射強(qiáng)度大約是1/4或者3/4月相時(shí)的9倍。相較于地球來(lái)說(shuō)，月亮并不是太陽(yáng)輻射能量的有效反射體，它的反射率與地球比起來(lái)大約是0.07∶0.39[5]。

由于存在著許多影響月地之間輻射的因素，因而真正詳細(xì)地去闡述這個(gè)過(guò)程是十分復(fù)雜的。夏天，滿月的高度角很低，這使得滿月在天空中總是處在與太陽(yáng)相反的方向，冬天，北緯45°地區(qū)正午的太陽(yáng)大約在南水平線向上22°的地方，但是午夜月亮的高度角卻平均在南面水平線向上約68°。因此可以得出結(jié)論，月亮輻射在太陽(yáng)輻射最弱的冬季可達(dá)到最強(qiáng)。在冬天，冰雪覆蓋地表的不均勻和陰影的存在會(huì)使白天可見(jiàn)光成像受到影響，而這些問(wèn)題在晚上將會(huì)很容易得到解決，因此夜間成像也比較清晰。太陽(yáng)在赤道附近的緯度間的震蕩是以年為周期，相類似地，月亮的這種緯度間的震蕩是月周期。因此在一個(gè)時(shí)期月亮的高度變化要比太陽(yáng)明顯的多。這意味著，在較短的一段時(shí)期，夜間的輻射即使是在地表特征不發(fā)生變化的情況下也會(huì)有明顯的變化，同時(shí)，陰影的位置和其他地形因素也會(huì)發(fā)生變化。在南北極的夜晚，月亮?xí)?4 h都處在水平線上方，這就是極夜現(xiàn)象，對(duì)這些地區(qū)夜間成像的研究就顯得很有意義[6]。

星載微光探測(cè)技術(shù)是研究在低光照條件下景物信息的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)和應(yīng)用于空間觀察的光機(jī)電一體化技術(shù)，其成像效果與探測(cè)儀器的信號(hào)轉(zhuǎn)換、場(chǎng)景的照明條件及景物的反射率分布等因素有關(guān)。微光探測(cè)對(duì)成像儀器提出了更高的技術(shù)要求，如在可見(jiàn)光、近紅外通道有很高的探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍(105數(shù)量級(jí)以上)；探測(cè)通道波段不能取得太窄等。

3星載微光探測(cè)儀器的研究進(jìn)展

美國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展國(guó)防氣象衛(wèi)星，其搭載的OLS逐步完善，實(shí)現(xiàn)了微光云圖探測(cè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，其夜間微光通道可獲取1/4月光照射和晨昏條件下可見(jiàn)光圖像，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)夜間可見(jiàn)光通道無(wú)法探測(cè)的缺點(diǎn)。美軍氣象保障人員利用OLS云圖識(shí)別云類、云型和晴空區(qū)，確定對(duì)軍事行動(dòng)有嚴(yán)重影響的天氣系統(tǒng)的位置、范圍和強(qiáng)度，確定高空急流、槽脊位置、可能的積冰區(qū)和晴空湍流區(qū)。這些信息，對(duì)保障美陸、海、空軍的作戰(zhàn)行動(dòng)、電光武器和導(dǎo)彈等高技術(shù)武器的使用都是十分重要的。此外，OLS還可以對(duì)夜間城市燈光和明火等實(shí)施探測(cè)[7]。

在OLS的基礎(chǔ)上發(fā)展了VIIRS，其微光通道DNB(Day/Night Band)的輻射動(dòng)態(tài)范圍很大，可以達(dá)到107量級(jí)。DNB與OLS相比有以下改進(jìn)：(1)減少了像元飽和情況的發(fā)生；(2)具有更小的瞬時(shí)視場(chǎng)，減少了空間圖像的模糊程度；(3)與其它通道共用一套光學(xué)和掃描裝置，可精確獲知各波段像元的相對(duì)定位；(4)增加輻射訂正功能，以得到更高的輻射分辨率；(5)提高空間分辨率，消除交叉像素的尺寸變化。DNB采用了與其他波段相同精度的輻射校正方法，因此可與其它通道融合使用，這是相比OLS最大的優(yōu)勢(shì)。OLS和VIIRS具體指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　OLS和VIIRS指標(biāo)對(duì)比

注：“M”表示中等分辨率(Moderate resolution)級(jí)，“I”表示成像分辨率(Imaging resolution)級(jí)。

我國(guó)目前在軌運(yùn)行的氣象衛(wèi)星只能獲取白天可見(jiàn)光云圖和晝夜紅外云圖，沒(méi)有微光云圖成像儀。中科院上海技術(shù)物理研究所和航科集團(tuán)508所都完成了微光相機(jī)的預(yù)研工作，并研制了工程樣機(jī)，可在1/4月光甚至星光照度條件下成像[3]。

3.1　OLS

OLS是DMSP上最重要和最基本的一臺(tái)遙感儀器。DMSP衛(wèi)星采用06∶00am軌道和10∶30am軌道的雙星運(yùn)行體制，每6小時(shí)可提供一次全球云圖，整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)一天能提供全球黎明、白天、黃昏和夜晚4個(gè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)。OLS可以獲取夜間1/4月光和白天可見(jiàn)光云圖，以及晝夜紅外云圖，用于全天候測(cè)量云層或陸地的反射和發(fā)射特性，是美軍全球氣象中心云分析系統(tǒng)的主要信息源，也是美國(guó)國(guó)防部主要的氣象信息源。其主要特點(diǎn)是探測(cè)通道的寬波段、高動(dòng)態(tài)范圍、微光通道以及采用擺鏡正弦掃描方式等。DMSP和OLS的外形如圖1所示。

圖1　DMSP及OLS外形圖 Fig.1　Layout of DMSP and OLS

3.1.1儀器主要技術(shù)特點(diǎn)

OLS的掃描輻射單元由兩個(gè)光學(xué)掃描鏡和一個(gè)光學(xué)倍增管組成。掃描鏡采用擺鏡正弦掃描成像工作模式，每條掃描線1 465個(gè)像元，可以保證掃描線上的地面分辨率基本一致。光學(xué)系統(tǒng)采用Cassegrain(卡塞格倫天線)結(jié)構(gòu)，有效口徑為203 mm，焦距為1 220 mm，掃描角為±56.25°。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)采用光學(xué)倍增管提高微光探測(cè)靈敏度。

OLS有兩個(gè)通道：可見(jiàn)光、近紅外通道(0.4~1.1 μm)和熱紅外通道(10.0~13.4 μm)。OLS在可見(jiàn)光波段有2套探測(cè)器：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)倍增管(PMT)，光學(xué)倍增管靈敏度高，可以在微弱的月光下工作。白天使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，入瞳單位波長(zhǎng)輻亮度為10-3~10-5W/cm2sr·μm，星下點(diǎn)分辨率有0.55和2.7 km兩檔；夜間使用PMT，入瞳單位波長(zhǎng)輻亮度允許低至10-5~10-9W/cm2sr·μm，星下點(diǎn)分辨率2.7 km[7]。

OLS夜間微光探測(cè)通道采用的Pn結(jié)光電倍增二極管，可有效減少噪聲，并保證相應(yīng)電流與輻照功率的嚴(yán)格線形關(guān)系，工作溫度為-20 ℃。光電倍增管技術(shù)保證其微光探測(cè)通道對(duì)地球低照度目標(biāo)的高靈敏度探測(cè)，可以在夜晚部分月光環(huán)境下探測(cè)云層、覆蓋、煙塵、海冰和陸地地表環(huán)境等。

由于帶寬的限制，OLS的兩個(gè)通道不能同時(shí)都達(dá)到0.55 km的分辨率，由衛(wèi)星測(cè)控人員根據(jù)季節(jié)因素和地理位置決定哪個(gè)通道采用高分辨率。一般來(lái)說(shuō)，紅外通道在夜晚分辨率高，白天分辨率低，而可見(jiàn)光通道相反[8]。

(2)采用動(dòng)態(tài)增益方法滿足大動(dòng)態(tài)范圍。

為了適應(yīng)較大的光照范圍差異，OLS使用了自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了接收到的夜間微光信號(hào)，這樣就可以探測(cè)較低的光線輻射，如夜間火場(chǎng)、熔巖流和氣體耀斑等。這些措施有效擴(kuò)大了儀器在夜間成像的能力。

OLS的增益會(huì)隨著背景照度的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。月球運(yùn)轉(zhuǎn)周期以及月球高度不同引起背景照度的變化，最小的放大倍數(shù)出現(xiàn)在滿月時(shí)，這時(shí)的圖像類似于白天可見(jiàn)光波段的圖像。隨著月光照度減小，放大倍數(shù)逐漸增大，在月亮周期中月光最暗的晚上，增益系數(shù)達(dá)到最大值60 dB。然而，在夜間，上述的空間分辨率往往是很難達(dá)到的，這個(gè)問(wèn)題形成的主要原因就是由于OLS掃描的瞬時(shí)視場(chǎng)要比傳感器實(shí)際的掃描視場(chǎng)大，造成了像元的交迭，降低了分辨率，使得圖像細(xì)節(jié)喪失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了大量方法使得OLS傳感器瞬時(shí)視場(chǎng)隨著掃描角度的變化而發(fā)生變化。為了能在夜間低照度情況下成像，要求OLS傳感器有很大的動(dòng)態(tài)范圍，它的最高值出現(xiàn)在測(cè)量的白天地表或云表的太陽(yáng)光反照時(shí)，稍小的動(dòng)態(tài)范圍允許傳感器在夜間滿月情況下測(cè)量，而動(dòng)態(tài)范圍的最小值則可以使得傳感器能在部分月亮照射或是月亮的高度角比較低的情況正常成像。為了滿足動(dòng)態(tài)范圍的這種大跨度，對(duì)OLS采用了動(dòng)態(tài)增益的方法將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化[5]。

3.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式及使用

從衛(wèi)星傳輸下來(lái)的資料由國(guó)家地球物理資料中心(NGDC)存檔。OLS上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共有3種形式：(1)熱紅外探測(cè)器全天候采集的高分辨率數(shù)據(jù)；(2)白天采集的可見(jiàn)光高分辨率數(shù)據(jù)。其分辨率理論上可以達(dá)到0.55 km，但是因?yàn)樾l(wèi)星過(guò)地面站的時(shí)間限制(一般為10 min)，不能將所有的高分辨率數(shù)據(jù)同時(shí)下傳，只能通過(guò)平滑處理，分辨率降低到2.77 km；(3)夜間平滑處理的熱紅外和可見(jiàn)光探測(cè)數(shù)據(jù)。在晚間可以通過(guò)高靈敏度的PMT得到平滑模式下的可見(jiàn)光數(shù)據(jù)。

OLS夜間微光波段是應(yīng)用中開(kāi)發(fā)較少的一個(gè)載荷。原因是：(1)實(shí)時(shí)OLS數(shù)據(jù)限制于美國(guó)國(guó)防部應(yīng)用，對(duì)外開(kāi)放較少；(2)OLS成像灰度級(jí)較少，可見(jiàn)光和微光通道圖像可被分成64灰度級(jí)(量化等級(jí)為6 bit)，紅外通道圖像則可分為256灰度級(jí)(量化等級(jí)為8 bit)，而與之相比作為標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)的NOAA的AVHRR，其科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以分成1 024灰度級(jí)(量化等級(jí)為10 bit)；(3)OLS缺少在軌精度校準(zhǔn)，而且輻射測(cè)量分辨率較為粗略，這就限制了其在定量環(huán)境分析上的應(yīng)用；(4)不同波段數(shù)據(jù)的分辨率不同，使得判讀產(chǎn)品較為復(fù)雜。在實(shí)際使用中，將微光通道和紅外通道的數(shù)據(jù)融合起來(lái)效果會(huì)好一些。

3.2　VIIRS

VIIRS繼承了OLS在夜晚微光探測(cè)的能力。VIIRS搭載于JPSS的試驗(yàn)星NPP上，是目前最先進(jìn)的星載探測(cè)系統(tǒng)。除OLS外，VIIRS還繼承、發(fā)展和集成了NOAA系列衛(wèi)星上的先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)(NOAA/AVHRR)以及地球觀測(cè)系統(tǒng)的中分辨成像光譜儀(EOS/MODIS)[9]。

美國(guó)政府于1994年5月批準(zhǔn)實(shí)施國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃(NPOESS)，它計(jì)劃將商務(wù)部的極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星(POES)和DMSP整合，負(fù)責(zé)向軍民雙方提供氣象信息。后來(lái)受經(jīng)費(fèi)、管理等影響，NPOESS計(jì)劃于2010年2月取消，轉(zhuǎn)變成由美國(guó)國(guó)防部負(fù)責(zé)的國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)(DWSS)，以及由美國(guó)NOAA和NASA共同負(fù)責(zé)的聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)(JPSS)。JPSS的試驗(yàn)星Suomi NPP衛(wèi)星于2011年10月28日成功發(fā)射，采用降軌方式運(yùn)行，一天繞地運(yùn)行約14圈，可以觀察地球表面兩次，衛(wèi)星的重復(fù)周期(重新回到原來(lái)位置)為16天，數(shù)據(jù)由NOAA的國(guó)家數(shù)據(jù)中心(National Data Centers)發(fā)布，其格式采用HDF5。Suomi NPP衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為7年，其后的JPSS-1預(yù)計(jì)于2017年發(fā)射。

VIIRS傳感器繼承了OLS的微光夜視功能并做了進(jìn)一步地優(yōu)化改進(jìn)[10]。VIIRS由SeaWiFS前光學(xué)儀和全反射修正的MODIS/THEMIS后光學(xué)儀結(jié)合組成。短波段通道用一個(gè)太陽(yáng)光散射體來(lái)定標(biāo)；熱紅外通道用一個(gè)黑體輻射源和外太空觀測(cè)定標(biāo)。VIIRS空間分辨率較高，且隨著遠(yuǎn)離星下點(diǎn)位置有控制的減小；制造和運(yùn)行成本較低；通道數(shù)量較多。VIIRS集成了當(dāng)代最先進(jìn)的觀測(cè)研究體系用來(lái)發(fā)展未來(lái)的遙感探測(cè)。圖2是NPP及VIIRS的外形圖。

圖2　NPP及VIIRS外形圖 Fig.2　Layout of NPP and VIIRS

3.2.1VIIRS儀器特征

VIIRS共有22個(gè)通道：9個(gè)可見(jiàn)/近紅外通道(0.4～0.9 μm)，1個(gè)白天/黑夜通道(DNB,0.7 μm)，8個(gè)短波/中波紅外通道(1～4 μm)，4個(gè)長(zhǎng)波紅外通道(8～12 μm)。VIIRS有3個(gè)焦平面陣列(FPA)：9個(gè)可見(jiàn)光/近紅外通道和微光波段DNB共用1個(gè)FPA；8個(gè)短波和中波紅外通道使用1個(gè)FPA；4個(gè)長(zhǎng)波紅外通道使用1個(gè)FPA。后兩個(gè)FPA通過(guò)輻冷控制工作溫度保持在80K。VIIRS的空間分辨率可分為“M”級(jí)和“I”級(jí)兩種，M級(jí)為740 m左右，I級(jí)為370 m左右。7個(gè)通道采用了多增益技術(shù)，這樣可以根據(jù)所拍攝地物輻射亮度的不同來(lái)自動(dòng)選擇增益。具體通道指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　可見(jiàn)光紅外成像輻射儀的通道設(shè)置

VIIRS在可見(jiàn)光波段探測(cè)上進(jìn)行較大的改進(jìn)，可以在更寬的光照等級(jí)上進(jìn)行探測(cè)或成像，更精細(xì)地探測(cè)大氣、海洋、陸地表面等全球環(huán)境，形成海洋表面溫度、海洋水色分布、海冰海浪、大氣溫度濕度、覆雪植被等產(chǎn)品示例。

3.2.2VIIRS微光探測(cè)波段DNB

VIIRS繼承了OLS在夜晚微光探測(cè)的能力，在其22個(gè)探測(cè)波段中包含一個(gè)微光波段(DNB)。DNB采用250階TDI CCD探測(cè)器掃描陣列，可以探測(cè)1/4月光的目標(biāo)，星下點(diǎn)分辨率742 m，其中心波長(zhǎng)為0.7 μm，整個(gè)通道范圍為0.5~0.9 μm，采用了多增益技術(shù)。

VIIRS的DNB日夜型成像儀采用擺掃形式成像，其探測(cè)器采用多片器件的焦面集成實(shí)現(xiàn)了超大動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)性能：使用不同靈敏度和不同級(jí)數(shù)的3片TDICCD分別用于夜間和晨昏成像，將整個(gè)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍分成3段(最靈敏段、中等靈敏段、最不靈敏段)。白天成像使用的靈敏度最低的CCD，器件上加有1片35倍的中性濾光片。4片不同的CCD都集成在同一片器件上。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)采用采樣合并、像元累積的方法使空間分辨率提高且分辨率較均勻。

CCD的敏感區(qū)由多個(gè)探測(cè)像元組成，CCD使用采樣合并的方式將沿軌和跨軌各個(gè)探測(cè)像元的信號(hào)累積起來(lái)，使得在MODIS中發(fā)現(xiàn)的積分拖影現(xiàn)象有所緩解，空間分辨率得到了提高。CCD采集地面輻射場(chǎng)景時(shí)可調(diào)整瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV)，將IFOV設(shè)置為儀器掃瞄角的函數(shù)，在星下點(diǎn)的時(shí)候IFOV稍大，到了掃描邊緣處IFOV則變小，這樣使VIIRS對(duì)地的有效探測(cè)分辨率在整個(gè)飛行軌跡都達(dá)到742 m，輸出圖像的銳度保持一致。因此，與OLS的光滑模式相比，DNB分辨率(每單位區(qū)域的像素)的提高在近天底處為14倍(VIIRS為0.74 km，OLS為2.8 km)，邊緣處為53倍(OLS為5.4 km)。分辨率為常數(shù)是以離天底時(shí)信噪比減低為代價(jià)的。但是即使在邊緣處，信噪比性能也超過(guò)了指標(biāo)要求。這一改進(jìn)使得刈幅邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度有較大提高、數(shù)據(jù)可用性得到了巨大的提升。

(2)可選擇動(dòng)態(tài)增益技術(shù)使衛(wèi)星在不同光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)圖像。

DNB在軌道的陰影期和光照期都可以探測(cè)地物和大氣的可見(jiàn)光輻射。在一個(gè)軌道周期內(nèi)輻射能量動(dòng)態(tài)范圍很大，為了滿足較高輻射分辨率的要求，DNB將探測(cè)輻射能量的變化區(qū)分為7個(gè)量級(jí)，同時(shí)以3種模式(低輻射場(chǎng)景模式、中輻射場(chǎng)景模式和高輻射場(chǎng)景模式)進(jìn)行探測(cè)。它采用動(dòng)態(tài)調(diào)整增益的方法，即高增益(對(duì)應(yīng)于低輻射場(chǎng)景)、中增益(對(duì)應(yīng)于中輻射場(chǎng)景)和低增益(對(duì)應(yīng)于高輻射場(chǎng)景)，增益比達(dá)到119 000∶447∶1；同時(shí)每個(gè)增益模式將所包含的輻射能量又細(xì)分為500∶1。這樣細(xì)致的劃分能夠涵蓋寬探測(cè)輻射場(chǎng)景能量范圍。高增益情況下的量化等級(jí)為14 bit，中增益和低增益為13 bit。DNB信息處理器將3種模式所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的數(shù)字化處理，確保產(chǎn)品輻射的高分辨率，然后再對(duì)3個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，具體就是在隨后的邏輯電子調(diào)制過(guò)程中，DNB逐像素地進(jìn)行選擇，對(duì)每一個(gè)像素選擇3種增益模式中感光效果最好的值，同時(shí)也是像元在這個(gè)增益模式?jīng)]有達(dá)到飽和的情況。這種探測(cè)方式要求每個(gè)象素點(diǎn)保持整個(gè)DNB 通道的動(dòng)態(tài)范圍，才能使亮目標(biāo)相對(duì)于黑暗背景的情況不會(huì)發(fā)生象素飽和。按照這種均一對(duì)比度理想化的設(shè)置數(shù)據(jù)，可以使整個(gè)場(chǎng)景圖像看起來(lái)像在均勻的光照條件下所成，在不同的光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)的圖像。

(3)與其它通道共用光學(xué)和掃描裝置，并采用相同精度的訂正方法。

DNB 可以看作是一個(gè)和VIIRS 的其他波段共用光學(xué)設(shè)備和掃描裝置的聚焦平面陣列，相對(duì)于單個(gè)的DNB 傳感器而言，這樣的集成設(shè)計(jì)可降低系統(tǒng)的復(fù)雜性、重量、成本和體積，同時(shí)可以精確地獲知各波段象元的相對(duì)定位，它們地理定位間的距離即使在掃描的邊緣也不會(huì)超過(guò)30 m。DNB采用了與VIIRS其他波段相同精度的訂正方法，可以定量地輻射測(cè)量并可以與VIIRS的其它光譜波段比較，這樣就保證了其在軌長(zhǎng)壽命定量應(yīng)用，且其數(shù)據(jù)可與其它通道融合使用。

總體來(lái)說(shuō)，DNB使高亮度輻射信號(hào)和低動(dòng)態(tài)范圍、低SNR信號(hào)都得到了準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)；在整個(gè)掃描范圍內(nèi)都保持了0.74 km的分辨率，給夜間探測(cè)帶來(lái)更大的改善；空間分辨率的提高以及像素的增加還使圖像的成像質(zhì)量(特別是在圖像的邊緣)得到提高；可選擇動(dòng)態(tài)增益使衛(wèi)星在不同的光照條件下都能得到優(yōu)質(zhì)的圖像，提高了圖像質(zhì)量和定量應(yīng)用的準(zhǔn)確性；靈敏度的提高使得DNB可以在光照條件很差的情況下探測(cè)云、氣溶膠等。

4微光數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)展

星載的微光探測(cè)器基本上都是對(duì)探測(cè)目標(biāo)物反射的月亮輻射進(jìn)行探測(cè)的。在夜間，所有反射的地球場(chǎng)景特征都會(huì)被收集。在圖3(a)中，云、霧、地表、雪蓋、煙/灰等都是很容易通過(guò)月光反射被識(shí)別的；光源(例如火、亮光、城市燈光、廢氣燃燒器、漁船、火山流)也會(huì)被觀測(cè)到。但是，當(dāng)1/4月光或更低光照條件時(shí)，需要照明才能看到的一些現(xiàn)象將變得很難探測(cè)到，當(dāng)沒(méi)有月光時(shí)將會(huì)一起消失(圖3(b)所示)[5]。微光探測(cè)器精細(xì)量化的高增益信號(hào)會(huì)提高對(duì)陸地和大氣發(fā)光源的探測(cè)能力，包括微弱的城市燈光和極光。

圖3　夜間可見(jiàn)光探測(cè)能力 Fig.3　Detection capabilities for visible light during nighttime

以前，OLS數(shù)據(jù)由于其本身數(shù)據(jù)的局限性多用于定性化判斷(見(jiàn)3.1.2)。隨著VIIRS數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)，微光探測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始在定量化應(yīng)用方面顯示出相當(dāng)?shù)臐摿6]。

(1)城市燈光和火情監(jiān)測(cè)

當(dāng)微光儀器用于夜間探測(cè)時(shí)，只有部分月光或滿月情況下才有足夠的光照條件探測(cè)到反射特性，而在無(wú)月的夜晚，可以得到一副反映城市燈光的圖像。自從DMSP OLS數(shù)據(jù)解密后，研究就主要集中在地球表面的人類活動(dòng)燈光的描繪，尤其是城市。城市通常能夠透過(guò)云層被觀測(cè)到，盡管有時(shí)無(wú)法完全顯示。盡管在沒(méi)有月光的情況下探測(cè)微弱光亮的能力最大(增益較大)，但大多數(shù)的城市燈光是在有月光照耀的情況下觀測(cè)到的。壯觀的全球城市燈光合成圖是OLS傳感器的標(biāo)志性產(chǎn)品[12]。VIIRS DNB不是專門設(shè)計(jì)用來(lái)提高燈光源圖像的。然而，因?yàn)榫哂懈〉男窍曼c(diǎn)軌跡尺寸、更高的信噪比和更高的輻射分辨率，因此可以探測(cè)到更多的光源。

OLS可能會(huì)在已知火源的情況下，基于燈光的辨別和顯示，通過(guò)排除其它光源的方法識(shí)別出夜間火情[13]。但是OLS并沒(méi)有廣泛地用于火情監(jiān)測(cè)和算法分類的研究或業(yè)務(wù)化。火情監(jiān)測(cè)更多地依賴于經(jīng)過(guò)定標(biāo)的NOAA AVHRR，MODIS以及GOES圖像的多光譜數(shù)據(jù)，尤其是3.7~3.9 μm(短波紅外)之間的通道，這個(gè)通道對(duì)極端炎熱很敏感，因此可探測(cè)火情[14]。VIIRS將在短波紅外和改善的夜間可見(jiàn)光通道上，具有更多優(yōu)勢(shì)，將二者聯(lián)合起來(lái)能夠驗(yàn)證火災(zāi)的存在，并估計(jì)其范圍和強(qiáng)度。

(2)塵埃和煙霧探測(cè)

OLS探測(cè)揚(yáng)沙和浮塵的原理與探測(cè)云類似，但有兩個(gè)必要條件，足夠的月亮光照條件以及較厚的揚(yáng)沙、浮塵厚度。但即使這兩個(gè)條件均滿足，探測(cè)結(jié)果可能仍然不太準(zhǔn)確，這是因?yàn)榈乇砗涂拷乇砜諝庵械纳硥m在白天可見(jiàn)光條件下不能很好地被分辨，在夜晚情況更為嚴(yán)重[15]。OLS夜間圖像在足夠月光條件下具有描繪強(qiáng)沙塵暴事實(shí)的能力，但因?yàn)榉瓷渎瘦^弱和輻射分辨率較粗等原因，大量細(xì)節(jié)無(wú)法分辨。DNB因?yàn)榫哂?6 384個(gè)灰度階(OLS有64階)和高空間分辨率，而且通道較多，只要有足夠的月亮照射，就能夠在夜間探測(cè)揚(yáng)沙和浮塵。

(3)低云和大霧監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星紅外通道監(jiān)測(cè)夜間低云大霧的主要問(wèn)題在于云的溫度與和周圍陸地或海面比較接近，因此不易區(qū)分。夜間探測(cè)云的傳統(tǒng)方法是利用11.0和4.0 μm紅外通道亮溫差檢測(cè)低云大霧[16]。但是如果低云由大水滴組成，或者高空存在薄卷云，或者地面溫度低于凝結(jié)點(diǎn)[17]，那么紅外探測(cè)可能會(huì)無(wú)法識(shí)別出夜間低云。利用微光和紅外合成圖像，可以有效地識(shí)別低云大霧。采用VIIRS的算法，利用DNB和紅外波段的能力，將會(huì)更好地在夜間描述云。

(4)雪和冰的監(jiān)測(cè)

大多數(shù)可見(jiàn)光傳感器只能在白天監(jiān)測(cè)冰、雪[18]，限制了冬季夜晚的觀測(cè)，而這個(gè)季節(jié)在許多地區(qū)正是需要準(zhǔn)確知道積雪覆蓋情況的時(shí)間，這個(gè)問(wèn)題在冬季兩極地區(qū)的夜晚更加突出。紅外和被動(dòng)微波遙感器也可以觀測(cè)到雪蓋，但紅外傳感器因?yàn)榻?jīng)常無(wú)法區(qū)分雪和周圍環(huán)境而探測(cè)不到雪蓋；被動(dòng)微波遙感因?yàn)榉直媛侍侄荒芎芎玫孛枥L出雪的邊界，其使用受到限制。微光圖像可彌補(bǔ)這一不足，VIIRS在軌后，DNB與長(zhǎng)波紅外和短波紅外通道的融合產(chǎn)品，可進(jìn)一步改善冰雪監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，提高夜間雪被的預(yù)報(bào)產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)閃電和極光監(jiān)測(cè)

閃電是大氣中的強(qiáng)放電現(xiàn)象，與雷擊相伴，一般在雷暴天氣時(shí)出現(xiàn)，產(chǎn)生在強(qiáng)烈的積雨云中。衛(wèi)星圖像上，低紅外亮溫經(jīng)常用于識(shí)別雷暴，大范圍的風(fēng)暴可以在紅外圖像上通過(guò)冷的亮溫特征(白色)識(shí)別出來(lái)，但是僅僅通過(guò)紅外圖像從層云中區(qū)分活躍的對(duì)流降水很困難[18]。因?yàn)榫碓普铚囟认嘟虼死妆┑臏?zhǔn)確位置不容易辨別。從閃電觀測(cè)資料可以給出關(guān)于雷暴的更準(zhǔn)確的信息，但是只有建立了廣泛地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的地方才能得到閃電觀測(cè)資料。在微光圖像中可以分辨出對(duì)流線的亮條紋，條紋線通常不描述閃電本身，而是在閃電周圍地區(qū)的雷暴頂?shù)拈W爍。微光圖像可以驗(yàn)證世界范圍內(nèi)活動(dòng)的雷暴，尤其是遙遠(yuǎn)地區(qū)和雷電探測(cè)網(wǎng)之外的雷暴。此外，微光探測(cè)器的工作波段覆蓋了氧原子(557.7和630 nm)和氮分子(600~700 nm)的波譜范圍，因此可用來(lái)探測(cè)極地地區(qū)極光的出現(xiàn)。

(6)夜間多種光源的探測(cè)和偵查

微光成像儀器在夜間具有的特殊探測(cè)功能，可使微光成像具有一定的偵查能力，可以發(fā)現(xiàn)鉆井平臺(tái)、船只、油氣燃燒的位置、港口燈光、燃料補(bǔ)給線和公路等，這些具有重要的戰(zhàn)略意義[19]。

(7)其他應(yīng)用

微光數(shù)據(jù)探測(cè)到的夜間燈光可派生出其他一些產(chǎn)品，如估算城鎮(zhèn)人口、人口密度、耗電量、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等，大量研究人員開(kāi)展了諸如城市空間信息提取擴(kuò)展研究、城市空間特征燈光指數(shù)構(gòu)建研究、人口密度及熱島效應(yīng)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r研究、電力能源消耗量研究以及城市化對(duì)生態(tài)環(huán)境影響研究等[20]。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了星載微光探測(cè)原理，詳細(xì)總結(jié)了星載微光探測(cè)儀器的衛(wèi)星系統(tǒng)、儀器技術(shù)指標(biāo)、成像關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等，在此基礎(chǔ)上分析了星載微光探測(cè)技術(shù)在低云大霧監(jiān)測(cè)、城市燈光和火情監(jiān)測(cè)、煙霧和塵埃監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。隨著微光探測(cè)技術(shù)的不斷成熟和改進(jìn)，星載微光探測(cè)儀器將極大地促進(jìn)低照度條件下的氣象保障能力，提高各類尺度和時(shí)效氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

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胡曉華(1981—)，女，山西忻州人，博士，工程師，2001年、2004年、2007年于解放軍理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事微光有效載荷在氣象海洋方面的研究。E-mail:x.h.hu@163.com

劉松濤(1980—)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，2002年、2005年于解放軍理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事氣象海洋衛(wèi)星資料應(yīng)用方面的研究。E-mail:liusongtaocn@yahoo.com.cn

潘振東(1980—)，男，山東費(fèi)縣人，學(xué)士，助理工程師，2010年于解放軍理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事信號(hào)檢測(cè)、圖像處理方面的研究。E-mail: panzhendong@163.com

石立堅(jiān)(1981—)，男，山東泰安人，博士，副研究員，2008年于中國(guó)海洋大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事衛(wèi)星海洋遙感方面的研究。E-mail:shilijian@gmail.com

《發(fā) 光 學(xué) 報(bào)》

—EI核心期刊 (物理學(xué)類； 無(wú)線電電子學(xué)、 電信技術(shù)類)

《發(fā)光學(xué)報(bào)》是中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所共同主辦的中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)的學(xué)術(shù)會(huì)刊。 該刊是以發(fā)光學(xué)、 凝聚態(tài)物質(zhì)中的激發(fā)過(guò)程為專業(yè)方向的綜合性學(xué)術(shù)刊物。

《發(fā)光學(xué)報(bào)》于1980年創(chuàng)刊， 曾于1992年， 1996年， 2000年和2004年連續(xù)四次被《中文核心期刊要目總覽》評(píng)為“物理學(xué)類核心期刊”， 并于2000年同時(shí)被評(píng)為“無(wú)線電電子學(xué)、 電信技術(shù)類核心期刊”。2000年獲中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀期刊二等獎(jiǎng)。 現(xiàn)已被《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》、 《中國(guó)期刊網(wǎng)》和“萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)”等列為源期刊。 英國(guó)《科學(xué)文摘》(SA)自1999年； 美國(guó)《化學(xué)文摘》(CA)和俄羅斯《文摘雜志》(AJ)自2000年； 美國(guó)《劍橋科學(xué)文摘社網(wǎng)站》自2002年； 日本《科技文獻(xiàn)速報(bào)》(CBST， JICST)自2003年已定期收錄檢索該刊論文； 2008年被荷蘭“Elsevier Bibliographic Databases”確定為源期刊; 2010年被美國(guó)“EI”確定為源期刊。2001年在國(guó)家科技部組織的“中國(guó)期刊方陣”的評(píng)定中， 《發(fā)光學(xué)報(bào)》被評(píng)為“雙效期刊”。2002年獲中國(guó)科學(xué)院2001～2002年度科學(xué)出版基金“擇重”資助。2004年被選入《中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù)·中國(guó)科技精品庫(kù)》。本刊內(nèi)容豐富、 信息量大，主要反映本學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的科研和技術(shù)成就， 及時(shí)報(bào)道國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)， 開(kāi)展學(xué)術(shù)討論和交流， 為提高我國(guó)該學(xué)科的學(xué)術(shù)水平服務(wù)。

《發(fā)光學(xué)報(bào)》自2011年改為月刊， A4開(kāi)本， 144頁(yè)， 國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行。 國(guó)內(nèi)定價(jià)： 40元， 全年480元， 全國(guó)各地郵局均可訂閱。 《發(fā)光學(xué)報(bào)》歡迎廣大作者、 讀者廣為利用， 踴躍投稿。

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Progress in spaceborne shimmer detector and data application

HU Xiao-hua1*, LIU Song-tao1, PAN Zhen-dong1, SHI Li-jian2

(1.No. 61741Troop,theChinesePeople'sLiberationArmy,Beijing100094,China;

2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100094,China)

Abstract:Spaceborne shimmer detector can get satellite cloud image from visible to near-infrared wave band and the earth′s surface character data in low-light condition, and it is the most effective instrument for detecting the low clouds and heavy fog during nighttime and twilight. This paper introduces the principle of spaceborne shimmer detection. Then, it reviews the recent development of spaceborne shimmer detector in home and abroad, and describes its satellite system, instruments′ technical target, key imaging technology and data character. Finally, it discusses some applications of spaceborne shimmer technology in city light and wildfire detection, cloud and fog detection, dust and smoke detection and so on. Spaceborne shimmer technology can provide a platform for Chinese meteorologic satellite development, and could increase and broaden the method of weather observation.

Key words:shimmer imaging detector;data application;spaceborne

作者簡(jiǎn)介：

*Corresponding author, E-mail:x.h.hu@163.com

中圖分類號(hào)：TP73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0350

文章編號(hào)2095-1531(2015)03-0350-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41205004)

收稿日期:2014-12-22；

修訂日期:2015-02-20