以创新锐气铸克难底气 卫星气象科研人员解决三号E星首套图像技术难题-中国气象局政府门户网站
当前位置:首页 > 科技创新

以创新锐气铸克难底气 卫星气象科研人员解决三号E星首套图像技术难题

发布时间:2021年09月15日 来源:中国气象报社

  9月2日,中国气象局公布了来自风云三号E星(简称风三E星)的首批高精度、多波段太阳图像,这些图片分别来自太阳X射线极紫外成像仪和太阳辐照度光谱仪。在太阳极紫外动画图像中,太阳活动数天内的变化被精准捕捉,太阳活动区、冕洞等也清晰可见。从“静止”的观测数据到“会动”的图像,卫星气象科研人员做了哪些工作?

  国家卫星气象中心副主任张鹏介绍,太阳X射线极紫外成像仪就像一台装在卫星上的摄像机,只不过它记录下来的是太阳光子数据。其CCD(传感器)将捕捉到的光子数据转换为二进制的电子数据并传输回地面接收站,再由数据处理团队将这些二进制数据转换为光强数据并绘制成灰度图片,最后根据人眼视觉习惯进一步填充颜色,就变成了发布会上金色、黑色为主色调的太阳极紫外图像了。

  太阳X射线极紫外成像仪主要用于监测太阳日冕活动,捕捉太阳风暴爆发过程。拍摄照片听起来容易,但若拍摄对象变为太阳,就要颇费心思了。倘若现在打开手机,对准太阳拍摄一张,得到的大概率会是一张边缘模糊的纯白色光球,轮廓尚且不清晰,更何论太阳表面细节了。

  这是由于太阳能量巨大,人眼难以直视,仪器要看清也不容易。风云三号极轨卫星地面系统总设计师胡秀清介绍,为了解决太阳强辐射光溢出的问题,负责仪器研制的长春光电所开创性地使用了掠入射、正入射双望远镜结合的方法。掠入射指入射角接近于90度,反射过程中会产生半波损失,以此屏蔽最强光,仅用侧光观测,减少太阳光过亮对观测的干扰。

  静态单一的观测环境并不能满足对复杂多变的太阳活动的观测需要。风三E星数据预处理团队负责人敦金平介绍,由于太阳活动时刻在变化,活动强弱能量差距很大,明暗对比强烈,为此,X射线极紫外成像仪设置了2个EUV通道及6个X射线通道,可以理解为不同的拍摄太阳专用滤镜。想要观测太阳活动区,需要开启厚滤镜,在此通道下,太阳上的阴影部分变得黑糊,但光亮区的细节却越发凸显;而要看阴影区时,则需要换上薄滤镜,此时虽然光亮区高光溢出,但阴影区的细节可以显现。除了8个不同通道,曝光时间的自主选择,也为观测不同状态下的太阳活动提供可能。基于以上高科技手段,原本CCD可以识别太阳光子的动态范围为104,在多通道及不同曝光时间的“加持”下,这一范围可以升至109,大大提高观测信号的动态范围和数据质量。

  在遥远的外太空也有如“百慕大三角”一样神秘的区域——赤道大西洋上空,这里偶尔会发生信号中断、数据丢失等情况,风三E星此次就遇上了“神秘事件”。敦金平团队在进行数据预处理时,发现风三E星每次飞抵这个异常区,受太空噪音影响,图像中总会出现不规律的白色噪点,干扰正常观测。为了解决这一问题,研究人员先使用暗场处理方法,即关闭快门,在黑暗中拍摄,此时图像中的噪点即为空间噪音,再通过算法去除,才能还原真实的数据。由于仪器的局限性,团队还需进行平场处理,去除由于镜头畸变、仪器不均匀等局限性造成的观测误差,力求精准。

  此外,太阳X射线极紫外成像仪面对太阳时并非完全静止,随着轨道移动,镜头所拍摄的太阳会由于平移、旋转及抖动等引起位置偏移,实际上是处在一种不稳定状态。敦金平介绍,要在这种不稳定状态中寻求一种相对的稳像,初期需要根据卫星平台的运动和太阳的南北极进行人工定位,之后将不断优化算法,并实现自动化的数据处理流程,这也是至今仍在攻关的一大难题。

  解决了原理性问题,团队还面临实际运行中的考验。开机不久,数据处理团队发现到手的图片存在逐渐衰减的情况。经过多方研判分析,团队认为可能是水汽或硅胶挥发物导致的污染附着,决定暂时关闭太阳X射线极紫外成像仪,开启自清洁模式,待仪器恢复正常后再重新开机。“在太空中可能出现很多实验室难以预料的情况,我们能做的就是提前做好准备,比如‘自清洁模式’就在图像衰减问题上帮了大忙。”胡秀清说。

  除此之外,多波段太阳辐照度光谱的发布在国内也尚属首次。胡秀清介绍,之前国内的太阳辐射观测产品仅仅针对全波段的太阳总辐射,而实际上,太阳光的光谱波段构成十分复杂,不同谱段的变化也不尽相同。例如,太阳活动与紫外谱段更为相关,太阳辐照度光谱仪发现紫外波段波动更为剧烈,与红外波段的平缓变化形成鲜明对比。多波段太阳图像可以更精准地对空间天气进行监测预报。

  实际上,从8月31日太阳辐照度光谱仪开机到9月2日首图发布,只有短短三天时间,但团队没有放弃对科学性和严谨性的追求。经过多方评估,高光谱太阳辐射符合科学理论,科学合理展示了不同光谱位置的辐射变化。

  据悉,风三E星数据将提供给国内外相关高校及科研院所进行分析研究,日后将用于剧烈太阳爆发的监测预警,服务于空间天气预报。国家天文台副研究员白先勇对风三E星给予高度评价。他说:“这是国内第一次拍摄太阳的极紫外和X射线图像,也是国际上第一次在一台设备上同时实现X射线和极紫外波段太阳成像观测。”北京大学教授、中科院太阳活动重点实验室主任田晖肯定了风三E星的数据质量,认为该设备可以对空间天气的源头——日冕进行有效监测,服务空间天气预报。同时,他也提出了更高期望,在实现太阳软X射线、极紫外成像观测的基础上,未来一方面可以提升已有载荷空间分辨率等性能,增加成像通道数,实现更高精度日冕参数的诊断;另一方面,风云卫星可以考虑搭载极紫外成像光谱仪、太阳磁像仪等其他类型的太阳观测设备,实现对太阳大气不同层次的全覆盖,逐步实现太阳科学研究数据、空间天气预报数据来源的国产化。

  风三E星每日绕地球运行14圈,在单通道模式下,X射线极紫外成像仪每0.8秒拍摄1张照片,仅单台仪器每条轨道传输到卫星中心的数据约1.85G、转换为6千余张图像。面对如此之多的数据资料,团队成员需要及时检查处理,每天多次检查生成的图像,逐张确认有无传输中断、数据缺失等问题,及时排查故障,厘清原因。

  胡秀清介绍,从2015年提出对日观测,到如今风三E星首套太阳图像发布,不过七年时间。如今风三E星仍处于在轨试运行阶段,探索之旅还在进行。但哪怕身处数万米的高空,风三E星背后一直有一根看不见的线,紧紧握在卫星气象工程师手中,这是风云系列气象卫星探险的底气和勇气来源。

  (作者:张艺博 责任编辑:张林)

扫一扫分享至朋友圈