FY-4闪电成像仪实时事件处理器（RTEP）的FPGA设计研究

闪电是中尺度，特别是中-γ尺度天气系统研究的有力工具。闪电成像仪主要利用4种方法组合来实现闪电信号的增强与探测。这4种方法是：光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧一帧背景去除。实时事件处理器（RTEP）是实现帧一帧背景去除的最为有效的手段，它是提取闪电信号的重要途径。实时事件处理器是一个实时数字信号处理系统，在2ms的时间内要完成12bit量化的512x512个像素的信号数据处理，探测出闪电信号。文章论述了实时事件处理器RTEP的必要性，实现原理，以及FPGA实现方案。     

FY-4闪电成像仪实时事件处理器(RTEP)的FPGA设计研究

闪电是中尺度,特别是中-γ尺度天气系统研究的有力工具。闪电成像仪主要利用4种方法 组合来实现闪电信号的增强与探测。这4种方法是:光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧-帧背景去除。实时 事件处理器(RTEP)是实现帧一帧背景去除的最为有效的手段,它是提取闪电信号的重要途径。实时事件处 理器是一个实时数字信号处理系统,在2ms的时间内要完成12 bit量化的512×512个像素的信号数据处理, 探测出闪电信号。文章论述了实时事件处理器RTEP的必要性,实现原理,以及FPGA实现方案。     

静止轨道闪电光学探测的光谱选择及影响分析

闪电产生于强对流云或对流云系,是强对流灾害性天气的"示踪器"。闪电成像仪在静止轨道上利用瞬态闪电和缓变的云层、陆地与海洋等背景噪声之间存在时间、空间和光谱特性上的差异,采用光谱滤波、空间滤波、多帧-帧背景去除等三种方法组合来实现瞬态闪电的增强与探测。由于中国缺少云顶闪电辐射、闪电分布、闪电瞬态特性等参数,静止轨道闪电光学探测仪器的设计重点之一是光学探测谱段的选择与评价。针对中国存在的闪电光学性能研究不足和空基天基的光学探测手段较少的情况,在地面采用光谱仪对人工模拟闪电、自然界闪电进行光学特性探测,对获取到的地基闪电光谱数据进行分析和反演,从而得出天基闪电探测的参数选择。文章重点论述了闪电的空间光学探测仪器的探测谱段选取、仿真计算、试验验证等内容,为静止轨道闪电光学探测载荷研制提供基础数据和保障。     

超窄带滤光片光谱特性测试与修正

超窄带滤光片在闪电探测等领域有重要应用,其带通区域中心波长的准确性、光谱带宽和带外抑制等光谱特性对闪电探测仪的成像性能具有决定性影响,通过测试准确获得超窄带滤光片的光谱特性是闪电探测仪研制过程质量(quality)控制的重要环节。文章分析了使用分光光度计测试超窄带滤光片光谱特性时存在的问题,提出了一种基于平行光路的超窄带滤光片光谱特性检测方法,并对该检测方法中所采用的测试装置进行了介绍,通过仿真试验分析了测试装置以不同带宽进行测试对测试精度的影响,进一步提出了基于逆滤波原理的测试数据修正方法,解决了常规测试方法应用于超窄带滤光片光谱特性测试时存在的信噪比低、角漂误差大、波长定位精度低和带宽修正困难等问题。     

FY-4卫星应用和发展

介绍了我国新一代静止气象卫星风云四号(FY-4)卫星应用及其发展。给出了FY-4卫星装载的先进静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪4种主要观测仪器,以及卫星的观测能力和提供的定量化产品,并与我国现有的业务卫星风云二号(FY-2)卫星和国际同期在轨静止气象卫星性能进行了比较。FY-4光学卫星系列与美国GOES-R、日本Himawari-8/9卫星和欧洲MTG卫星性能相似,属于与国际同期发展的先进静止气象卫星。给出了FY-4A星获得的图像和数据。列出了FY-4A星的基本定量产品,给出了使用的仪器、数据特性、物理意义,以及应用领域、方法和范例。描述FY-4卫星提供的定量化产品及其在数值天气预报、气候、生态环境、专业气象服务、人工影响天气、空间天气监测预警等领域的应用,并介绍了FY-4A星在轨测试期间的部分应用。对FY-4后续业务卫星发展进行了展望。     

大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

综述了被动光学遥感国外星载大气风场探测干涉光谱技术的研究进展。阐述了Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、多普勒差分干涉仪及其相应的探测原理,其中从单视场发展到双视场、四视场临边扫描。比较了不同技术体制特点和局限。介绍了国外广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)、高分辨率多普勒成像仪(HRDI)、多普勒干涉仪(TIDI)等的特点、性能指标及其应用。分析了研制中二维空间转台、光纤视场合成技术、窄带滤光片工艺水平等关键技术。归纳了性能指标中测风精度提高、探测范围扩大、视场增大等进展;数据应用中由反演风速、温度和辐射率数据向探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数,大气有效反射率,气溶胶相位函数和散射系数等的转变。展望了技术的发展趋势。     

静止轨道气象卫星观测系统发展设想

介绍了静止轨道气象卫星发展的现状。对国内外静止气象卫星的平台能力和探测仪器性能进行了对标与分析。根据我国静止气象卫星应用需求,给出了所需的新型遥感仪器的需求。讨论了静止气象卫星的发展趋势。介绍了静止气象卫星采用光学成像星、探测星(光学、微波)、降水测量星组合配置,在同步轨道上同位或异位进行观测的发展设想,以及需配置的先进可见光红外成像仪、闪电成像仪、高光谱垂直探测仪、地球辐射收支仪、太阳X-EUV成像仪、地球静止轨道先进微波探测仪、地球静止轨道降水测量雷达等的主要功能与性能。     

环境减灾-1A卫星空间调制型干涉光谱成像仪技术

介绍了空间调制型干涉光谱成像技术的基本原理,结合为环境与灾害监测测预报小卫星研制的超光谱成像仪总体方案,阐述了该类仪器的主要技术参数设计方法,以及光学、机械、电子、定标和数据复原处理等环节的关键技术,给出了仪器在轨运行获得的部分超光谱数据,以及仪器的应用潜力.     

静止轨道闪电探测性能实验室验证技术研究

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。     

大气环境监测卫星宽幅成像仪高性能碲镉汞红外探测芯片

宽幅成像仪(WSI)是大气环境监测卫星中的主要载荷之一,可以提供从可见光到长波红外的地球环境成像遥感数据。宽幅成像仪中搭载了从1.3~12.5 μm红外波段进行探测的8个波段碲镉汞红外探测器,各波段采用窄带滤光片进行分光,8个波段的碲镉汞探测器封装在短波、中波和长波3个组件中。本文中对8个波段的碲镉汞红外探测器进行了概述,内容涵盖了探测器的设计思想、制备工艺和测试方法,最后给出了目前在轨运行的高性能探测器组件的探测率性能和响应光谱,同时与各波段器件的探测率指标进行了对比。     

FY-1C/D极轨气象卫星空间粒子成分监测器及其在轨探测结果

介绍了风云一号(FY-1)C，D极轨气象卫星空间粒子成分监测器的任务目标、主要功能和工程指标。以及数据的获取和处理方法。给出了空间环境宁静期、地磁扰动事件、太阳质子事件、与太阳活动的关系和粒子长期变化等探测结果，并进行了相应的分析。对C，D星空间粒子成分监测器分别进行的5年和第二次在轨测试结果表明，两星监测器工作正常、性能稳定，探测数据可靠。     

中国气象卫星技术成就与展望

概述了我国风云一号(FY-1)极轨气象卫星和风云二号(FY-2)静止气象卫星的发展概况与成就.介绍了即将发射的新一代风云三号(FY-3)极轨气象卫星的主要功能和技术特点,以及配置的10通道可见红外扫描辐射计、26通道红外分光计、20通道中分辨率成像光谱仪、微波辐射计、微波成像仪、紫外臭氧探测仪、地球辐射收支仪和空间环境监测器等仪器的用途.给出了FY-2静止气象卫星的基本任务、主要探测性能和技术特点,以及在研的新一代风云四号(FY-4)静止气象卫星的关键技术和遥感仪器.分析了国外新一代三轴稳定静止气象卫星的发展与栽荷配置.总结了我国气象卫星业务系统的应用和取得的效益.     

萤火一号火星探测器有效载荷数管软件控制技术

对萤火一号(YH 1)火星探测器有效载荷数据管理软件控制技术进行了研究.介绍了软件的组成.给出了控制需求与约束.软件综合利用立即指令队列、事件表、宏指令和指令状态机等机制,实现了对光学成像仪、掩星接收机、磁强计、等离子体探测包4种有效载荷,以及测控数传分系统的控制,可满足YH-1火星探测器的要求.     

星载红外点目标探测系统瞬时视场优化模型

瞬时视场是影响星载红外点目标探测系统性能的重要指标,为了实现高信噪比探测,有限口径的空间相机设计需要选择合适的瞬时视场。文章讨论了衍射受限条件下,瞬时视场对能量集中度、采样相位因子、背景杂波和信噪比的影响,建立了以信噪比最大化为目标函数的瞬时视场优化模型。基于在轨遥感图像统计背景杂波,确定了杂波系数范围和不同杂波程度的背景分布。结合实例仿真,计算了不同瞬时视场下的信号响应和信噪比变化,通过分析得出结论:随着瞬时视场减小,点目标能量集中度降低,采样相位影响减小,探测稳定性提高,杂波减小,信噪比先增大后减小,利用优化模型能得到最优瞬时视场。文章提出的模型可用于空间相机的指标设计和优化。     

利用“天籁”暗能量观测阵列开展空间目标探测新技术试验

提出一种用于开展空间目标探测的大视场、多波束射电观测手段。通过柱形天线阵列,在特定方向获得大张角均匀巡天视场,实现对大空域范围的连续监视;基于综合孔径天图成像,实现对批量空间目标的实时捕获;利用小口径碟形天线之间的优化干涉组合,通过数字波束合成实现多目标精确跟踪测量。配合软件去噪与阵列定标校准手段,进一步提高微弱目标信号提取认证能力,降低系统功率与增益要求。提出利用具有相似阵列结构的"天籁"暗能量观测系统开展关键技术试验,以缩短研究周期、减少科研成本。从作用距离、信号特征、探测时间等方面对试验可行性进行了分析,结果表明"天籁"阵列具备支撑相关新技术试验的能力。     

一种新型超大视场小畸变光学系统

光学遥感器正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、大视场等方向发展。在传统空间遥感系统的研制过程中,分辨率与大视场互为矛盾,但在某些场合下,不仅需要图像具有较高的分辨率,而且需要具有较大的视场。解决这一矛盾对空间光学的发展具有积极作用。文章介绍了一种新型多尺度单心光学系统,从其设计原理出发,给出了一个多尺度单心光学系统的设计实例。经验证该系统能够实现大视场,像面照度均匀、畸变小,全视场具有一致分辨率,无需扫描即可获取大视场图像。文章介绍的这种成像系统结构对未来超大视场高分辨率空间遥感器的设计提供了参考。     

地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用

对地球同步轨道空间辐射环境监测及应用进行了研究。给出了持续开展的国外GOES系列卫星和国内FY-2系列卫星的地球同步轨道空间粒子辐射探测介绍,以及AE8和AP8、AE9和AP9、POLE、FLUMIC等用于地球同步轨道带电粒子辐射环境评估的经验模型发展。我国自主高能带电粒子辐射监测自20世纪90年代中后期开始,FY-2系列卫星上的带电粒子探测仪器经过了两代卫星的技术巩固和第三代卫星的创新发展,实现了更精细的能道划分并拓宽了对带电粒子辐射能谱的探测。介绍了用FY-2系列卫星获得的不同扰动状态下高能电子能谱特性,兆电子伏特级高能电子快速、缓慢增强事件,以及与GOES-13,15卫星联合应用分析高能电子不同地方时动态与太阳质子事件动态演化结果。用FY-2系列卫星获得的观测数据能准确、灵敏反映轨道空间高能带电粒子的动态变化;与GOES系列卫星的同期观测结果比较既反映出相对平静时的趋于一致性,又反映了强扰动下的显著短时局地差异,这为开展该轨道粒子辐射实测数据多星联合分析,发展磁层对扰动响应更全面、更复杂的图像,为带电粒子起源、重新分布、损失机制等深入研究提供了可能。在最新的第一代静止气象卫星FY-4卫星上,带电粒子探测仪器兼顾了能谱和方向的设计,既具备FY-2系列卫星平台高能电子、质子全能谱的探测,又增加了高能电子的多方向探测。目前除GOES系列卫星以外,仅有我国地球同步轨道系列卫星可提供持续的轨道空间粒子辐射环境长期实测记录,数据的长时间积累和信息丰富将促进地球同步轨道空间粒子辐射经验模型向更精细化的方向发展,并推动我国空间粒子辐射环境理论和自主建模研究,更好地服务于我国空间天气监测预警业务。     

基于BG算法的微波成像仪图像重建技术研究

基于用FY-3气象卫星微波成像仪(MWRI)的有效视场(EFOV),用BG算法对MWRI的空间分辨率重构进行了研究。给出了重建原理,引入折中参数控制分辨率与噪声的比例。对MERI的10.65GHz V通道进行了分辨率重构,在有效扫描角±45°区域内使用重构采样算法,确定重采样分辨率60km、折中参数为1×10-6,并获得了此条件下各探测通道最优重构分辨率及重构后的性能指标。结果表明:MWRI统一探测分辨率60km时,18.7,23.8,36.5,89GHz通道的噪声被大幅抑制,合成足迹的噪声为原始噪声的约10%,插值误差均小于5%,MWRI所有通道可很好地工作于匹配分辨率60km。     

美国STSS卫星有效载荷主要指标探讨

根据目标光学特性、大气吸收特性及地球背景辐射特性,推测了美空间跟踪与监视系统（STSS）卫星助推段捕获相机和中段跟踪相机的波段选择。根据卫星轨道及目标运动特性,推测相机探测距离和视场。以推测结果为输入条件计算星座覆盖率,结果验证了推测的合理性。     

基于CMOS APS的星敏感器光学系统参数确定

基于CMOS APS图象传感器的星敏感器是适应航天技术的发展而产生的新一代姿态敏感器。确定光斑形状和大小、光学系统有效通光孔径、视场和焦距等参数是进行星敏感器光学设计的前提。本文基于选定的CMOS APS图象传感器分别对这些参数进行了分析和计算。确定光斑形状和大小的依据是，减小由于探测器像元对光斑能量分布的采样导致点扩散函数变形，从而引起的利用亚像元技术求星像中心的计算误差。光学系统的有效通光孔径与星敏感器所能探测到的极限星等有关，通过从目标辐射特性直到探测器响应的能量计算可以确定孔径的大小。确定视场和焦距首先要满足星敏感器实现全天自主星图识别所需的导航星捕获概率，其次要考虑与之相关的误差。