风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计

1、风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计王淦泉3中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083摘要:本文介绍了我国正在研制的新一代地球同步轨道气象卫星的主要有效载荷之一一 “多通道扫描成像辐射计” 的性能指标及其相对于风云二号地球同步轨道气象卫星“多通道扫描成像辐射计”的主要性能比较,介绍了仪器的组成、仪器工作原理和工作方式。并着重及绍了仪器研制过程中主要技术难点一一角秒级控制精度的二维扫描技术及其扫描镜运动对卫星姿态稳定度的扰动和对图像配准的影响、太阳的直射对仪器性能的影响、仪器的长寿命技术等;并探讨了关键技术的主要解决途径。关键词:风云四号,气象卫星,辐射计,二维扫描,太阳直射The Mul

2、tiple Channel Scanning Imager of“FY-4” Meteorological SatelliteWANG GanquanShanghai Institute of Technical Physics, Chinese academy of Sciences, Shanghai 200083Abstract: This paper introduces one of the primary instruments , multiple channel scanning imager , of our being researched new-generation g

3、eostationary meteorological satellite, “FY-4”. The two imagers primary differences of their characteristics are introduced .it is also introduced the buildups, the opoperation principle and the operation mode of the imager. And it is emphasized the primary difficulties on manufacturing technique of

4、the imager, which are two-dimension scanning control technology of arcsec precision, the interference. Of satellite pointing from scan mirror motion and the performance change of the imager from the solar. The way to solve the primary difficulties has been discussed.Keywords: FY-4,meteorological sat

5、ellite,imager,two-dimension scan ,solar前言经过多年地球同步轨道自旋稳定卫星平台扫描成像辐射计研制技术的积累,在卫星气象应用需求的推动下,我国已将三轴稳定卫星平台作为下一代地球同步轨道气象卫星风云四号的载荷平台,其中十二波段扫描成像辐射计将作为风云四号气象卫星的主要载荷之一。美国早在1994年就已经发射了世界上第一颗地球同步轨道三轴稳定平台气象卫星。星上主要装有一台五波段成像仪和一台大气垂直探测仪。至今,美国已发射了六颗这样的卫星。技术越来越成熟,应用前景也越来越好。1. 性能简介我国目前正在运行的风云二号地球同步轨道气象卫星自旋扫描成像辐射计具有三个探测

6、波段,即将发射的改进型扫描成像辐射计具有五个探测波段。当需要进一步增加波段数、探测元数和提高辐射测量分辨率时,要受到数据带宽的较大约束。最为突出的问题是扫描成像辐射计的3wangganquan扫描效率很低(仅为约5%和无法实现局部区域的快速重复观测。三轴稳定卫星平台为扫描成像辐射计提高扫描效率和实现局部区域的快速重复观测提供了可能。风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计相对风云二号气象卫星多通道扫描成像辐射计在性能上有了较大的提高。主要体现在下面几点:1探测波段数从3波段、5波段增加到了12波段;2地球圆盘图成像时间从25分钟缩短为15分钟,全帧扫描效率从约5% 提高到了约80%;3增加了小区域

7、扫描观测功能,区域扫描范围可小至1000Km×1000Km,区域扫描时间可缩短至一分钟内,这对区域性强灾害性天气现象的实时监测及过程研究将起到重要作用;4空间分辨率、红外温度分辨率和可见、近红外信噪比进一步提高;5数据量化等级从6 bits和8bits提高至10bits。表1是风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计的主要性能指标要求。2. 原理、组成和工作过程原理风云二号气象卫星扫描成像辐射计利用卫星自旋和望远镜筒的步进实现对地球的二维成像。风云四号气象卫星扫描成像辐射计安装在三轴稳定卫星平台上,为实现对地球的二维成像,扫描成像辐射仪将采用机械扫描方式实现二维扫描。东西方向成像通过扫描

8、镜的连续往复式运动实现,速度为10°/S;南北方向成像通过扫描镜的步进运动实现,步距为448rad。组成系统主要包括以下几部分:1光学系统:包括主光学结构,分光组件、折镜、中继透镜、辐射致冷器窗口,滤光片、会聚透镜等;2二维扫描系统:包括扫描镜、支撑机构、扫描控制及驱动装置、高精度角度传感器等;3探测器:包括可见、近红外、红外和水汽12个波段共80元探测器;4辐射致冷器:包括辐射致冷器支撑、防污罩及其锁定和解锁机构、太阳屏、一级和二级辐射致冷器、大口径杜瓦、温度控制装置等;5星上电子学:包括二次电源、信息处理电路、二维扫描控制和驱动电路、黑体温度测量电路、卫星指令接收和成像辐射计状态

9、传输电路;6机械结构:包括成像辐射计基准结构、扫描镜支撑、主光学反射镜支撑、后光路光学零件支撑及定位调节机构、探测器定位及定位调节机构、辐射致冷器安装基准等;7星上定标系统:包括可见、红外黑体定标源,电子学定标信号;8热控系统:实现包括对仪器安装基准面、扫描机构、光学系统、辐射致冷器等的主动和被动温度控制;工作过程风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计的信息流过程如下,来自地球景物的辐射被扫描镜反射到主光学系统,通过中继光学系统将入射辐射分裂成2个可见通道、2个近红外通道和8个红外通道。探测器把景物辐射转换成电信号,经过前放、主放和滤波电路,在扫描同步信号的控制下,进行A/D转换并缓存,通过背景

10、和噪音抑制,图像配准、校正等环节,将数字量编码送到卫星的数传系统,由数传系统把图像信号传送到地面。3. 主要技术难点尽管三轴稳定卫星平台扫描成像辐射计相对于自旋稳定卫星平台扫描成像辐射计有较多突出的优点,但也有其特有的问题。主要有以下几点:1由于扫描成像辐射计采用机械扫描实现二维扫描成像,当扫描镜运动时,将会对卫星平台产生一定的扰动。这种扰动将会影响图像的定位和配准,严重时将会漏扫图像。并且扫描镜惯量越大、扫描速度越高、扫描镜运动行程越大,这种影响越大。因此,对卫星平台的姿态控制技术要求更高。同时扫描控制本身也应有实时图像运动补偿功能。按照目前的设计,扫描镜扫描成像时的角位置定位精度将要求达到

11、1(1。扫描镜图像运动补偿时,定位精度将要求达到1 2。波段 (m 瞬时视场角 星下点空间分辨率量化等级 S/N 或 NET 主要用途0.55 0.75 28rad 1 km 10bits 200 ( =100%,5 (=1% 植被、雾、云0.75 0.90 28rad 1 km 10bits 200 ( =100%,5 (=1%植被1.36 1.39 56rad 2 km 10bits 200 ( =100%,5 (=1%,卷云1.58 1.64 56rad 2 km 10bits 200 ( =100%,5 (=1%,云、雪2.10 2.35 112rad 4 km 10bits 200

12、( =100%,5 (=1%, 卷云、气溶胶3.5 4.0 112rad 4 km 10bits 0. 3K (300K 火情、水汽、雾5.8 6.7 112rad 4 km 10bits 0.3K (260K 水汽6.9 7.3 112rad 4 km 10bits 0.3K (260K 水汽8.0 9.0 112rad 4 km 10bits 0.2K (260K 云、水汽10.3 11.3 112rad 4 km 10bits 0.2 K (300K 地表温度11.5 12.5 112rad 4 km 10bits 0.2 K (300K 地表温度 13.2 13.8 112rad 4

13、km 10bits 0.5 K (300K 水汽、云 2由于三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计凝视地球且随地球一起自转,在每天子夜时分,太阳直射进扫描成像辐射计遮光罩的时间约有6小时。在每天的其余时间,扫描成像辐射计将不被太阳照射,接受地球辐射和太空冷背景辐射。为此,扫描成像辐射计每天将经历较大的温度变化,并且随季节的变化而变化。这种仪器内的温度大幅变化非常不利于扫描成像辐射计获得稳定的高质量图像。在星蚀期间,太阳将直射到扫描镜上,使这种不利影响达到了顶峰,甚至有可能对扫描成像辐射计产生永久性损伤。3三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计扫描镜的东西向连续往复扫描运动对气象卫星的长寿命将构成主要障

14、碍。对扫描电机进行备份,将是应该考虑的选择。随着长线列焦平面技术的发展,在帧时不变的情况下,降低东西向扫描速度不仅有利于延长卫星寿命,而且能减少扫描镜运动对卫星姿态的扰动,提高图像的分辨率和信噪比,进而提高图像的定位和配准精度。4. 结论风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计相比正在运行的风云二号气象卫星多通道扫描成像辐射计其在通道数和辐射分辨率指标方面均由大幅度提高,尤其是三轴稳定卫星平台为缩表1:风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计指标要求短帧时和小区域扫描提供了可能,这对灾害性天气的实时预报将起到无法替代的重要作用。对国民经济的稳定发展也将起到重要的保障作用。参考文献1 Edward R. Washwell,Editor, GOES-8 and Beyond , Proc. SPIE 2812,7-9 Aug