“火眼金睛”抓闪电

2017-03-02 09:32 来源:科技日报  我有话说
2017-03-02 09:32:05来源:科技日报作者:责任编辑:白璐

  图为技术人员正在进行光学镜头实验室定心装调

  (中国航天科技集团公司五院508所供图)

  “快刀手”,每秒抓拍500张闪电图;火眼金睛,能够适应8000倍的亮度变化,黑夜中的细发、强光中的秋毫,都逃不过它的眼睛;超强大脑,能在2毫秒时间内完成10G数据处理,按强弱排序保留最强的120个闪电信号,最后完成编码发送至地面。

  2月27日,国防科工局和国家气象局联合发布了风云四号A星获取的首批图像数据,其中全球首批静止轨道闪电探测影像令人印象深刻。

  此次发布的闪电影像源自2月13日对澳大利亚西部地区一次强雷暴的全程监测,这次探测完整再现了强雷暴产生、发展、结束全过程中的闪电发生情况,整个过程持续约6小时。

  这批影像由风云四号A星搭载的闪电成像仪探测。记者从该产品研制单位——中国航天科技集团公司五院508所获悉,这是我国首台地球静止轨道闪电探测仪,填补了我国空基闪电探测方面的空白。

  抓闪电的“快刀手”

  每秒可探测500张闪电图,每2毫秒就能探测一次中国及周边闪电情况,探测速度是国内大范围闪电探测设备中最快的。

  风云四号闪电成像仪是全球同步研制的三台地球静止轨道闪电成像仪之一,也是首台对外公布观测数据的探测仪。自从2016年12月跟随风云四号A星升空,该设备在轨工作正常。508所配合国家气象局完成了多批闪电探测影像的在轨处理工作。

  508所闪电成像仪主任设计师鲍书龙介绍说,该设备每秒可探测500张闪电图,实现中国及周边区域24小时不间断的闪电实时探测。能掌握这手“绝活”,离不开它身上具备的各种“超能力”。

  鲍书龙说,该设备堪称“快刀手”,探测速度是国内大范围闪电探测设备中最快的,每2毫秒就能探测一次中国及周边闪电情况;它也是遥感器中的“寿星”,具有7年在轨不间断实时探测能力;它拥有大广角,可一次实现对全国和周边区域的监测;它是个“多面手”,除了探测闪电,还能实现每秒6帧地面图像的获取,实时监测云层、强对流气团的运动。此外该设备还具有在轨探测算法全部更改能力,使闪电探测效率和能力进一步增强。

  508所闪电成像仪副主任设计师梁华介绍,该设备通过分析每张照片的时间、空间和光谱信息,能把闪电事件和叠加的云层提取出来,再用闪电探测算法将闪电事件进一步“淬炼”出来,一帧画面可以抓住120个最强闪电事件。随后它丢弃原始成像图、只将闪电数据传回地面,经过专业处理,就能实现闪电和强对流天气预警预报了。

  13年打造“黑科技”

  闪电成像仪采用超窄带滤光片,将能量强大的阳光背景挡在镜头外,只允许和闪电“身材”相当的光谱进入,以使得柔弱的闪电信号在阳光下显露真身。

  2003年,508所闪电成像仪项目组成立,当时我国关于闪电探测的研究还处于空白。从太空中看到的闪电会是什么样子的?大家都不清楚。美国NASA公布资料中的只言片语,欧空局公开的会议材料,甚至日本同类型产品的技术参数,都成为研制团队搜集、学习、消化的对象。

  经过摸索,大家慢慢认识到,太空里看到的闪电和地面上可谓“天差地别”。与地面所见线条状、连续的闪电不同,太空中探测的闪电,是叠加在云层上,一个个随机离散的点状目标。由于云层对阳光的强反射,大部分闪电的亮度只相当于云层背景的十分之一甚至百分之一。由于观测范围广、观测范围内的背景反差大,白天环境下的闪电很容易淹没在背景之中。因此,白天在轨实时探测大反差、强背景上随机点源的闪电成为最大难题。

  经过13年的探索攻关,研制团队先后掌握了大口径超窄带滤光片、大视场小光圈数(光圈数1.0)双镜头组件视场拼接、高帧率大动态范围面阵焦平面组件、实时事件处理器、闪电场景实验室模拟等数十项新技术。

  鲍书龙介绍说,闪电成像仪采用超窄带滤光片,将能量强大的阳光背景挡在镜头外,只允许和闪电“身材”相当的光谱进入,以使得柔弱的闪电信号在阳光下显露真身。

  然而,“娇气”的超窄带滤光片对环境要求十分严格,为此研制团队采取多种温控措施,保证它无论在超过90摄氏度的阳光直射下,还是在低于零下90摄氏度的背阴时,都能温暖如春。闪电成像仪还使用了国内自主研制的高帧率大动态高灵敏度探测器,从而具备了超强视力,能够适应8000倍的亮度变化,既能看见黑夜中的细发,也能看清强光中的秋毫。

  此外,闪电成像仪使用的在轨高速实时事件处理器,能在2毫秒时间内完成10.08G数据处理,实时完成阳光背景评估与去除,如同火眼金睛般将闪电信号探测出来,并在2毫秒时间内完成所有结果的强弱排序,保留最强的120个闪电信号,最后完成编码发送至地面。

  正是这些首次应用于我国空间光学遥感载荷产品的“黑科技”,造就了风云四号卫星闪电探测仪的超能力。更值得欣喜的是,这些新技术并非闪电成像仪独属,未来也能应用于其他高轨卫星载荷的研制。

  为汛期提供雷电监测与预报

  太空中的闪电探测,尤其是静止轨道闪电探测,具有24小时不间断、覆盖范围大、实时性好等优点,是世界上有研制能力国家优先采用的闪电探测方式。

  据介绍,风云四号闪电成像仪成功在轨代表着我国闪电探测的新起点,它将闪电探测结果与云图叠加起来,可以实现对闪电灾害、强对流天气的短时、实时预警预报,降低雷电、强对流天气对我国航空、航天、航海、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信等方面的危害。尤其在航空航线、海洋航线等全程闪电与风暴的实时预报等方面,闪电成像仪能力突出。

  雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一。雷击除了会造成人员伤亡和财产损失,还能引发火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故。从卫星、通信、导航、计算机网络,到每个家庭的家用电器,都会受到雷电灾害的威胁。据有关部门估计,全世界平均每分钟发生雷暴2000次,全球每年因雷击造成的人员伤亡超过1万人,造成直接经济损失超过10亿美元。

  统计资料表明,我国雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位,我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员死亡达3000至4000人,财产损失近亿元。

  目前我国现代雷电灾害防御保障体系正在建设中,国家气象局在京津冀地区、长江中下游地区和珠三角地区,都建设了具有云闪探测功能的区域性闪电监测系统。但与发达国家相比,国内大城市防雷减灾体系仍存在差距,主要是综合探测能力和预测预警水平有待提高,雷电防护的科技水平、相关技术标准及管理措施还有待完善。

  记者了解到,地面闪电探测系统作用范围小、站点布置少、站点不连续,导致地基闪电探测网无法有效进行全国范围,尤其是海洋等区域的闪电探测与预报。而太空中尤其是静止轨道的闪电探测,可以采用凝视的方式对闪电、雷暴、台风等实现预报预警,具有24小时不间断、覆盖范围大且无死角、实时性强等优点,是世界上有研制能力的国家优先采用的探测方式。

  鲍书龙表示,508所研制团队将继续协助用户开展闪电成像仪在轨测试工作,为今年6月后我国汛期的雷电监测与预报提供支持。未来,该设备探测数据不仅是服务于我国国民经济建设,还可以惠及它凝视范围内的其他邻国,以体现我国的大国责任与担当。付毅飞

[责任编辑:白璐]

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