多通道扫描成像辐射计热设计

多通道扫描成像辐射计是FY-4卫星的主要载荷之一,可实现对地的多光谱观测。辐射计在轨运行期间承受复杂的外热流环境,为保证高质量的成像品质,必须对其进行有效的热设计。根据地球静止轨道和辐射计构型特点,分析了热设计的特点,并对仪器进行详细的热设计和热分析,计算结果证明了热设计方案的合理性。

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。

太阳辐射对地球同步卫星扫描成像辐射计性能的影响

本文对FY-4气象卫星扫描成像辐射计的各项设计背景做了介绍,主要从热学、光学、球面天文学方面介绍针对“太阳侵入”问题的研究思想和相关知识。根据儒略日天文计算体系得出初步坐标转换公式,并为今后的研究工作做准备。

基于FY-4A多通道扫描成像辐射计识别深对流云的算法分析

深对流云(deep convection cloud)是由强烈对流运动发展而产生的特别的云体,研究好深对流云的性质、特征并对其作准确的识别和预报是气象工作中非常重要的环节。本文基于静止气象卫星风云四号(FY-4A)上的多通道扫描成像辐射计(MUSIR)和搭载在S-NPP上的先进微波探测仪(ATMS)的观测资料,开发了一套利用红外亮温阈值和亮温差识别深对流的方法,并对该方法进行讨论和分析,得到的结果是:该算法在热带地区识别深对流的效果很好,但在较冷的地方或高纬度地区识别效果不理想;同时红外识别的误报率(FAR)很高,由此本文还采用可见光的方法尝试在不大幅度降低检测率(POD)的情况下将误报率(FAR)给降低,最后取得一定的效果。

用于图像定位与配准的扫描辐射计扫描镜热变形模型研究

以某卫星扫描成像辐射计为研究对象,建立了扫描镜的热变形模型,并对模型进行了简化。模型应用结果表明,扫描镜镜面与扫描镜转轴需采用热特性接近的材料,通过增强仪器结构在Y向的刚度,能提高热变形模型的精度。用该模型获得的扫描镜热变形运动补偿(TMC)精度可满足卫星的使用要求。

FY-4A AGRI辐射率资料偏差特征分析及订正试验

风云四号A星(Fengyun-4A,简称FY-4A)作为我国最新一代静止气象卫星,各方面技术指标都体现了"高、精、尖"特色,处于国际领先地位。其上搭载的多通道扫描成像辐射计(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,简称AGRI)较上一代静止卫星风云二号的可见光红外自旋扫描辐射仪观测精度更高、扫描时间更短,充分体现AGRI观测资料将有效提高"一带一路"沿线国家和地区的天气预报和灾害预警水平。偏差订正是卫星资料处理的重要环节之一,因此本文通过在WRFDA v3.9.1(Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation v3.9.1)搭建AGRI同化接口,利用RTTOV v11.3辐射传输模式和GFS全球预报系统(Global Forecast System)分析场研究了FY-4A AGRI红外通道8~14晴空辐射率资料的偏差特征并进行偏差订正对比试验,分析了卫星天顶角对AGRI资料偏差订正的影响,为将来实现AGRI红外通道辐射率资料在中尺度模式中的同化应用奠定基础。结果表明:(1)通道8~10及14为正偏差,通道11~13为负偏差。水汽通道9和10偏差及其标准差相对较小,偏差海陆差异不明显。通道11~14探测高度较低,陆地上观测受地表发射率影响大,质量控制时可剔除这些通道陆地上的观测。(2)各通道偏差随卫星天顶角变化的拟合直线斜率都小于0.035,对比试验结果表明偏差与卫星天顶角的关系不明显,预报因子中无需考虑卫星天顶角的作用。(3)通道8及11~14的偏差随着目标亮温的变化比水汽通道9~10明显,偏差有较强的目标亮温依赖特征。(4)根据分析的偏差特征对2018年5月13日18时(协调世界时,下同)至15日18时进行变分偏差订正试验,系统性偏差得到了有效的订正。

高精度二维扫描控制系统的可靠性研究

多通道扫描成像辐射计是FY-4气象卫星上的主要载荷之一,其扫描镜的工作状况将直接影响到卫星所提供的气象云图。根据扫描控制系统的工作原理,分析了影响其可靠性的因素,并利用避错、容错技术来消除这些因素所造成的影响,以保证扫描镜的稳定工作。最后通过实验加以验证,达到了满意的效果。

基于FY-4A资料的20210430强对流天气过程分析

受东北冷涡影响,2021年4月30日傍晚起淮安市中北部地区出现最大直径为5 cm左右冰雹、12级雷雨大风等强对流天气。利用MICAPS观测资料、FY-4A卫星多通道扫描成像辐射计AGRI资料分析此次强对流天气的初生及发展过程,结果表明:(1)此次强对流天气过程整层天气系统呈现前倾结构和“上干下湿”的不稳定层结,利于强对流的触发;(2)淮安站上空云顶亮温下降—短暂上升—迅速下降的特征反映了淮安强对流天气是由不同对流云团造成的;(3)在较强对流天气发生前的0~1 h内,FY-4A AGRI卫星资料对云团的初生及发展有一定的短临预警指示作用。

FY-4A资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测中的初步应用

利用FY-4A多通道扫描成像辐射计(AGRI)所生成的多通道图像及L2级卫星云产品数据,结合地面观测实况资料,对2019年1月25—26日和3月17—18日发生于乌鲁木齐国际机场的两次持续性浓雾天气进行分析,结果表明:对于浓雾的监测,白天综合使用通道3(BD 0.83μm)、通道6(BD 2.2μm)、通道8(BD 3.725μm)和通道12(BD 10.8μm)能很好地显示雾区范围、雾顶云结构、雾区温度等特征,且云图能很好地表现雾的消散。夜间可以结合BD 10.8μm和BD 3.725μm的差(以下简写为BTD 10.8μm^(-3).725μm)和BD 10.8μm图像,用于识别夜间雾区,BTD 10.8μm^(-3).725μm通道亮温差越大说明雾的浓度越强。FY-4A卫星云顶高度和云分类产品对雾的微物理特征结构反应更为细致,对于夜间大雾监测有较好的效果,能够弥补可见光通道1~通道3、短波红外通道(BD 2.2μm)和中波红外通道(BD 3.725μm)仅能在白天使用的不足。

FY-4A AGRI陆地气溶胶光学厚度反演

风云四号A星(FY-4A)是中国第二代静止气象卫星的首颗星,多通道扫描成像辐射计AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)是搭载在FY-4A上的主要光学载荷之一。AGRI具有高频率观测特点(每天观测205次),在大气气溶胶的遥感高频监测方面具有良好应用潜力,但目前官方还未发布相应的气溶胶数据集。本文旨在针对AGRI数据的特点开发基于地表反射率比值库的反演算法以生产高精度的AGRI气溶胶数据集。本文首先基于再分析数据对去云后的AGRI L1级数据进行气体吸收订正;然后利用背景气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)对一个月内的“次暗像元”进行大气校正以获取AGRI 0.65μm和0.83μm通道的地表反射率,进而获取这两个通道的地表反射率的比值,完成每个月的地表反射率比值库的构建;最后便可以基于已构建的地表反射率比值库实现地气解耦,完成气溶胶的遥感反演。该算法已被应用于2019年5—10月京津冀地区的气溶胶反演,AGRI AOD反演结果与美国国家航天局发布的MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)AOD数据集、日本气象厅发布的AHI(Advanced Himawari Imager)AOD数据集的对比结果显示它们具有基本一致的空间分布趋势。利用AERONET(Aerosol Robotic Network)数据验证的结果显示AGRI AOD数据集具有较高的精度,且其精度要优于AHI AOD数据集和MODIS AOD数据集。AGRI AOD数据集的平均绝对误差,均方根误差,与地基数据的相关系数和误差落在期望误差±(0.05+0.15AODAERONET)范围内的反演结果所占的比例分别是0.09%,0.12%,0.91%和65.86%。上述验证结果表明基于地表反射率比值库的方法反演AGRI AOD具有可行性,且反演结果具有较高的精度。