本文为中国激光第2583篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。
风云三号E星“黎明星”作为世界业务气象卫星家族中首颗晨昏轨道卫星，“日出而作”，不仅能够迎着黎明开展气象探测，有效提高和改进全球数值天气预报的精度和时效，而且能够基于微光通道探测城市灯光，以独特的视角反映全球范围内城市化进程、经济社会发展和环境变化，监测海洋渔业、火情火灾和武装冲突等，具有很强的军事国防意义和很高的社会经济价值：成为了风云家族中“闪亮的新星”。
近日，中国激光杂志社邀请国家卫星气象中心胡秀清研究员担任《光学学报》第八届编委会编委。胡秀清编委为《光学学报》空间、大气、海洋与环境光学（SAME）专题刊献文，带领其团队围绕“黎明星的微光探测”进行综述，被选为SAME专题刊亮点文章。
黎明和黄昏，是一天中地球辐射变化最快的阶段，光辐射亮度差异可达到百万倍，随着光电技术的发展，低照度条件下的微弱可见光遥感卫星观测成像已成为可能，夜间微光遥感及其应用已成为目前的研究热点之一。夜间及晨昏时地表的微弱光包括月光、城镇灯光、渔船灯光和火点等不同强度的可见光辐射信息，微光探测可以对传统红外波段的信息进行补充，提高了夜间遥感观测的全面性，具有很强的军事国防意义，也有很高的社会经济价值。
2021年我国发射的首颗晨昏轨道气象卫星——风云三号E星“黎明星”搭载了可进行微光探测的微光型中分辨率光谱成像仪（MERSI-LL），既能看清白天的景象，又能看清百万分之一弱光下夜晚的灯光，通过对微光和红外波段多光谱连续综合观测，实现云、水汽、陆表等地气特征参量的高精度定量反演，填补了极轨气象卫星的微光观测空白，极大地提升了我国对天气、气候状态以及人类活动的监测能力。微光探测不仅能以独特的视角反映城市化进程、经济社会发展和环境变化等，还能监测火灾、闪电等灾害，具有巨大的应用潜力。为介绍黎明星的微光探测能力，国家卫星气象中心胡秀清研究员团队在《光学学报》发表文章《风云三号黎明星微光探测及应用综述》。该研究综述了国内外典型星载微光遥感仪器，详细介绍了黎明星搭载的微光型中分辨率光谱成像仪的设计原理和部件组成，阐明了微光通道三增益组合的特殊设计；概述了MERSI-LL具备的定量科学产品反演能力，描述了微光通道的典型夜间灯光产品生成过程，综述了微光通道的应用前景；展望了该仪器未来改进思路和应用前景。中分辨率光谱成像仪微光型（MERSI-LL）具备晨昏轨道上的微光和红外探测能力，共设置7个通道，包括1个微光通道（含3个增益）和6个热红外通道。微光通道的空间分辨率为1000 m，是一个400 nm带宽的全色太阳反射波段，用于获取晨昏和夜间的可见光谱段地球场景微弱光图像，可实现晨昏线附近大动态范围的可见光观测成像和定量遥感应用，是我国风云气象卫星首次实现微光遥感业务观测能力。FY-3E/MERSI-LL微光通道为我国风云系列气象卫星中首次设置这个通道。它是一个中心波长为700 nm，带宽为400 nm的全色宽谱段通道，可以实现晨昏线附近辐射亮度3×10-5~90 W·(m-2·sr-1)7个量级大动态范围的地面目标观测。为了实现大动态范围内的有效探测，MERSI-LL微光通道设计了3个增益分阶子通道（低增益、中增益和高增益），低增益通道（LGS）主要针对高亮度目标进行观测，中增益通道（MGS）为中间亮度信号的增益设计，高增益通道（HGS）针对低亮度区域进行观测，相邻增益子通道间的动态范围设计有重叠，可实现不同增益观测数据的搭接处理，以及用于增益间的辐射一致性传递，实现大动态范围辐射一致的对地观测微光辐射数据。为了实现上述目标，MERSI-LL微光通道探测器排列如图1所示， MERSI-LL微光通道的低增益通道和中增益通道均设置1列(每列10个探元)，高增益通道设置9列(共90探元)，每列探元单独完成观测成像，9列探元亦可融合成一个通道使用，这样可在夜间条件下提高图像信噪比。
图1 FY-3E/MERSI-LL仪器模型和微光通道探测器排布。（a）仪器模型图；（b）微光通道探测器排布图采用替代定标、地面人工光源定标和交叉定标等多种定标手段对FY-3E卫星微光通道定标精度进行验证。基于地面人工灯光源的定标，能够回避场地替代定标对于月球辐照度模型精度的依赖，开展了FY-3E卫星微光通道精度的地面验证外场实验。人工灯光源的光谱覆盖了微光成像仪的光谱响应范围，它向天空发射各向均匀的白光辐射，经过大气层后被FY-3E卫星微光成像仪接收。根据配套的高灵敏度光谱仪实时记录的灯光源出射辐亮度，以及气溶胶激光雷达获取的气溶胶光学厚度等辅助资料，结合大气辐射传输模型计算出TOA微光成像仪接收的入瞳辐亮度，与卫星实际观测值相比较相差20%左右，从而验证了卫星微光通道精度。
选择国外同类仪器VIIRS作为参考，选取两颗卫星近同时星下点（SNO）的观测结果进行比对验证，2021年8月10日至8月30日两个仪器的微观通道的匹配结果显示：MERSI-LL低增益与VIIRS的偏差在低端信号较大，但在高端信号较小；在低增益典型辐亮度处，MERSI-LL略高于VIIRS的定标结果，偏差4%以内。风云三号气象卫星对外发布的遥感产品是L1及以上级别数据，其中L1数据是卫星原始数据经地面系统进行质检、地理定位和辐射定标处理后得到的基础数据。微光通道的数据处理包括通道配准、增益选择、增益间辐射一致性处理和辐射定标等步骤，避免了图像中出现的接缝和条纹现象。微光通道观测数据由3个增益通道拼接而成，在地面预处理时，首先需要针对每个对地观测像元进行增益选择，对相邻增益均为有效观测值的目标进行特殊标注。分别提取LGS和MGS、MGS和HGS的增益搭接区数据，基于相同观测像元的辐射一致性进行增益一致性处理。基于FY-3E/MERSI-LL微光通道和红外通道的对地观测数据，可生成云检测、云量、云顶性质、大气可降水、射出长波辐射、极地云导风产品、海表温度、陆表温度、冰雪覆盖产品等多个传统定量遥感产品，这些产品大多是基于热红外通道反演生产。图3给出针对MERSI-LL微光通道生产的特色产品——有恒定对比度（NCC）图像产品，它是利用MERSI-LL的微光通道数据生成的增强一致图像产品。通过调整与太阳或者月球天顶角相关的辐射增益，生产近乎恒定对比度的图像，实现晨昏线两侧大亮度差异下的辐射图像一致增强效果展示。NCC产品主要用于定性的天气分析，可以监测台风、温带气旋等天气系统，也可与红外图像融合，帮助用户识别云、雾、积雪、海冰等。图4给出夜间城市灯光（Nighttime Lights，NTL)产品，它是采用MERSI-LL在夜间获取的陆地数据在去除月光、杂散光影响，剔除受云污染和自然光源（如闪电、极光、火点）的数据后得到反映人工光源的定量灯光强度产品。微光通道的其他研究试验产品还在陆续开发中。
图3 恒定对比度NCC图像产品——2022年2月23日FY-3E 升轨NCC产品全球拼图
图4 夜间城市灯光（Nighttime Lights，NTL)产品——2021年12月风云三号黎明星亚洲、美国和全球的夜间灯光图目前由FY-3E/MERSI-LL 微光通道观测数据开发的科学产品有准恒定对比度NCC图像产品和全球城市灯光合成产品等，这些特色产品可以应用于遥感绘图，能够直观准确地表示出夜晚城市的灯光分布，衡量区域的经济发展状况，并作为潜在的经济活动指标，制作出一系列衍生产品，例如GDP 或 GRP、城市人口与人口密度、耗电量等，MERSI-LL将在研究城市化进程和统计社会经济发展方面发挥独特优势。在新冠病毒疫情还在蔓延的今天，MERS-LL的微光产品不仅可应用于评估疫情对经济发展和人民生活造成的影响，还可根据夜间亮度的变化应用于监测海洋渔业、火情火灾和武装冲突等。总之，MERS-LL的微光数据可以应用于上述衍生的微光遥感产品开发，具有广阔的应用潜力。本文综述了国内外卫星微光探测仪器发展概况，重点介绍了风云三号黎明星的微光探测仪器设计、星上定标、数据处理及产品生成，论述了针对FY-3E/MERSI-LL微光通道的多增益传递和一致性处理基本原理和处理流程。阐述了微光通道数据多种辐射定标手段，如基于人工主动光源的地面定标验证尝试，但是受到光照条件的限制，试验只能在冬季才能开展。未来将在改进地面光源精度和几何辐射耦合分析基础上，进一步提升微光通道基于地面主动光源的定标精度。最后展示了微光通道数据产品的生成试验，在监测分析人类活动和研究环境变化与影响方面具有巨大潜力。
但目前FY-3E/MERSI-LL数据受晨昏轨道的固有局限性，如时空分辨率、辐射分辨率、定标、杂散光剔除等，而且纯夜间数据时间空间的范围受限，一定程度影响了微光探测数据的精确定量化应用，随着风云三号后续微光仪器改进和数据产品算法的进一步优化，未来将会有更加精确的微光定量应用，有助于加深我们对人类活动和环境变化的感知。胡秀清，博士，教授级高级工程师，风云三号极轨卫星地面系统总设计师，中国气象局科技领军人才，世界气象组织/全球空间交叉定标系统(WMO/GSICS)研究组主席，《光学学报》第八届编委会编委，博士研究生导师。主要研究方向：卫星遥感器定标理论及技术方法研究；遥感数据预处理及质量提升技术研究；遥感反演科学算法和遥感大数据应用研究。长期从事风云三号气象卫星地面系统设计和研制建设工作，在风云卫星遥感仪器辐射定标、数据质量提升和定量应用等方面做出了重要贡献。主持或参加卫星工程业务和国家级科研项目超过60 项，现主持国家重点研发计划项目课题1 项和国家自然科学基金课题1 项。已发表学术论文超过200 篇（SCI/EI 超过100 篇），获国家发明专利授权12 项，曾获国家科技进步二等奖1 项，省部级奖4 项，获全国优秀科技工作者、中国科学院杰出成就奖。是中国中国光学学会、中国宇航学会和中国遥感应用协会等行业协会委员。
5. 何兴道教授 | 水下超声光栅模型——诠释反隐身SBS激光雷达机理(SAME封底)
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