摘要
FY-3气象卫星可见光红外扫描辐射计（VIRR）冷空间基准采样区在特定时刻观测到月球，使该时刻遥感图像出现地球区信号码值减小甚至无码值的条带状异常区域，对遥感数据产生影响。根据VIRR轨道运行特点、在轨工作模式和冷空间数据采样机理，分析了VIRR冷空间采样区观测到月球并影响遥感数据的原因，阐述了VIRR扫描镜像旋转引起冷空间采样时月球图像通道间配准错位的机理，通过卫星轨道仿真计算了一年周期内出现此种现象的时间及规律，对受影响的遥感数据提出了处理建议，对数据修正作了初步尝试并对数据修正的可能性作了分析。
关键词
可见光红外扫描辐射计（Visible and Infrared Radiometer ，VIRR）是风云三号气象卫星前三颗星的基本配置，其历史可追溯至1988年我国发射的第一颗气象卫星风云一号，之后在1999年和2002年发射的风云一号C、D卫星上VIRR均实现了长寿命稳定业务运行。2008年开始发射的风云三号气象卫星上VIRR充分继承了风云一号C、D星的研制技术，入轨后一直稳定工作。VIRR在轨运行历史最久，获取的数据时间跨度最长，充分利用和分析VIRR获得的历史数据对研究长期的全球气候变化规律和趋势具有非常重要的意义。
回溯历史数据发现，由于气象卫星轨道设置和VIRR固有的工作模式使得VIRR在特定时间其冷空间基准采样区会观测到月球。因为VIRR的冷空间基准箝位工作机理使得该时刻获取的地球区遥感数据出现信号码值减小甚至无码值的条带状图像异常区域，同时由于VIRR采用的45°扫描镜产生像旋导致各探测通道在冷空间箝位区配准出现错位，并引起各通道地球区码值异常区域配准错位，对遥感数据产生影响，本文对此现象做机理分析和研究。
风云三号气象卫星VIRR具有10个探测通道，如
在FY-3气象卫星B星VIRR 2012年3月4日21时05分的5分钟卫星遥感数据中，10个通道冷空间采样点观测到月球，如
图1 VIRR 10个通道冷空间采样点
Fig.1 10 channels cold space sampling points of VIRR
图2 VIRR可见光通道图像
Fig.2 Visible channel image of VIRR
图3 VIRR 红外通道图像
Fig.3 Image of VIRR infrared channel
要研究上述现象，需了解VIRR的工作模式及冷空间数据采样机理。
风云三号气象卫星运行轨道为近极地太阳同步轨道，以风云三号B星为例，轨道高度为836.4 km，升交点地方时13：40，轨道倾角98.753°，运行一轨周期为101.6 min，每天绕地球14.2圈，为非整数轨。卫星飞行姿态为三轴稳定，轨道平面自旋轴旋转方向和地球公转方向相同，通过轨道高度和倾角的设置，确定卫星升降点地方时和目标点的地方时，达到卫星每天以相同方向经过同一纬度的当地地方时相同，从而使相邻天内每天对同一被观察目标有较为一致的光照条件，用于区分目标特性的变化。
VIRR安装在卫星对地面背阳一侧，开口朝向地球，采用一块旋转扫描反射镜，转轴与镜面成45°，且与卫星飞行方向一致，当扫描镜转动时，辐射计以固定的1.32 mrad瞬时视场接收与轨道垂直平面内的目标辐射，扫描从背阳面开始扫入地球，借助于卫星绕地球的运动，获取地球的二维图像。
卫星在836.4 km轨道高度，对地球张角为124.28°（±62.14°），因接近地球边缘图像的地面分辨率下降，实际采样的地球信息区域选取星下点两侧±55.4°的地球景象。VIRR的45°扫描镜以6 r/s的转速旋转扫描，依靠旋转扫描获得星下点两侧地球区域目标信息的同时在确定的相对位置角获取如冷空间、星上黑体信号，并在适当的相位位置插入遥测信息，为此VIRR在星下点前74°位置设置位置传感器，产生一个相位指示脉冲，作为VIRR每圈扫描相位起始基准点来同步系统控制时序即每圈控制时序的T0时刻，每圈同步触发一次，避免累计误差的产生，确保星下点位置正确。
不同风云三号卫星的轨道高度不同，对地球张角略有不同，为留出卫星姿态调整的2°余量，在星下点前66.23°冷空间作为直流恢复指令位置。
VIRR每条扫描线均按同样扫描时序进行，如
图4 (a)辐射计空间扫描几何关系示意图，(b) 辐射计信号采集角度位置图
Fig.4 (a) Diagram of radiometer spatial scanning geometry, (b) radiometer signal acquisition angle position diagram
为消除直流放大器中因本体背景辐射、减小直流漂移和探测器直流偏置电平的影响，信号采用交流耦合放大方式，为获得对应接收目标辐射（反射）强度的最终输出绝对信号电平幅值，在电路第三级采用直流恢复技术，即利用辐射计扫描一周从背阳面一侧扫入地球目标之前，利用温度4 K左右冷空间低温黑暗无目标的特点，测量地球区前冷辐射及暗反射作为恒定辐射基准，在此时刻，由扫描时序产生直流恢复脉冲，对信号进行同步箝位，把此时的冷空间信号箝位在零电平，即在箝位电容C上建立起对应空间信号V0电压，之后在远大于扫描周期的时间内保持，在观察地球期间将整个扫描帧周期内测得信号与箝位电压作模拟相减，得到目标绝对电压标度值，经采集处理后作为遥感数据计数值。
直流恢复脉冲宽度为3 ms，扫描时序中位于0.75~3.75 ms。在直流恢复脉冲结束前的0.25 ms即3.5~3.75 ms完成10个通道每通道10个点的采样并写入冷空间采样码。
VIRR通道放大电路设置与众不同，可见光及近红外通道输出信号计数值随光强增强而增大，而红外波段输出信号计数值随目标辐射增加而减
当VIRR冷空间观测到月球时，零电平基准能量增加，导致后续扫描地球区域能量与零电平能量间差值减小，在图像上体现为可见光近红外通道图像计数值变小，图像变暗，红外通道的图像计数值变大，图像变亮。若后续扫描的地球区域能量小于零电平的基准能量，即后续扫描的地球区域能量与零电平的能量差值为负值，则地球区域采样点的计数值红外通道为1023，可见光近红外通道为0，在图像上体现为红外通道扫描方向呈现白条，可见光近红外通道呈现黑条。
月球经太阳照亮，表面温度可高达140~170 ℃，远高于地球表面温度，红外波段月球能量高于地球区能量。月球表面可见光波段反照率为9%，低于地球大多数亮目标的反照
VIRR冷空间观测到月球对遥感数据产生影响，其影响的频次和规律需要通过轨道仿真来获得。
通过对VIRR进行轨道仿真，输入B星轨道信息，建立卫星坐标系，星下点为正Z轴方向，依据太阳，地球及月球的三者关系，仿真得到UTC：2012年3月4日21：05分月亮位于辐射计冷空间一侧，与星下点Z轴夹角66.2 °处。
图5 地球、太阳、月球轨道位置仿真
Fig.5 Simulation of orbit position of earth, sun and moon
图6 月球与扫描辐射计星下点间角度仿真
Fig.6 Simulation of the angle between the moon and the nadir of scan radiometer
仿真表明在扫描角-66.2°能观测到月球。对B星进行2011年9月到2012年9月一年周期的轨道仿真，如
图7 卫星运行一年周期冷空间观测到月球的时间仿真
Fig.7 Time simulation of the moon appearing in cold space in one year period of satellite operation
卫星升轨运行时VIRR扫描方向为东向西，降轨运行时则为西向东。农历初九和十二日月球月相分别为上弦月和凸月，月相相似，均位于VIRR冷空间一侧，VIRR观测到月球时分别处于降轨和升轨运行，扫描月球的进入方向相反，观测到的月球月相因此相反，如
图8 VIRR观测到的月相图（a）2012年3月1日 13:05卫星降轨运行，（b）2012年3月4日21:05卫星升轨运行
Fig. 8 Phase diagram of the moon observed by VIRR (a) Descent orbit 13:05, March 1, 2012, (b) ascent orbit 21:05 ,March 4, 2012
对VIRR冷空采样数据进行分析发现，观测到月球时冷空间采样数据在扫描维和飞行维各通道间视场配准出现错位，同时相应通道的地球数据出现条带区域计数值异常。以下从VIRR光学系统和电子学系统设计原理对原因进行分析。
VIRR采用45°旋转平面反射镜扫描方式，其反射面法线n与45°旋转扫描反射镜旋转轴成45°夹角。扫描镜旋转轴和系统光轴重合，且平行于仪器的飞行方向，通过45°旋转扫描反射镜的旋转作穿越轨道平面的扫描。借助于平台的前进运动，获取目标的二维图像。
如
图9 45°旋转扫描镜扫描几何示意图
Fig.9 Geometry diagram of 45° rotating scanning mirror scanning
FY-3气象卫星VIRR的10个通道在探测器焦面上排列配准关系如
图10 各通道配准及采样时序示意图
Fig.10 Diagram of channel registration and sampling sequence
10个光谱探测通道分布在4个波段探测器上，每个探测器光学中心轴重合，保证轴上通道CH1，2，4重合，其余通道通过采样时序控制实现与轴上通道重合配准。在星下点区域附近，45°扫描镜的旋转角度接近于0°，像旋的影响可忽略，各通道的视场配准能够保证。
当VIRR冷空间采集时，45°旋转扫描镜相对于星下点转动66.2°。由于45°旋转扫描镜产生像旋转，使得探测器原水平位置顺时针旋转66.2°，如
图11 像旋转各视场配准关系示意图
Fig.11 Diagram of FOV registration in image rotation
在飞行维方向由于像旋，相对于轴上通道1，2，4，通道7领先2.72个瞬时视场，通道5，9，10领先1.36个瞬时视场，通道3，6，8滞后1.36个瞬时视场扫描到月球。
在扫描维时序上系统仍按星下点非像旋时设定的通道配准时序间隔量输出，而实际上像旋后配准所需的间隔量缩小，这导致月亮图像在扫描维配准出现偏离，结果在扫描维方向上相对于轴上通道1，2，4，通道7延迟1.8个瞬时视场，通道5，9，10延迟0.9个瞬时视场，通道3.，6，8则超前0.9个瞬时视场，形成冷空间采样时刻各通道间配准位置关系如
图12 像旋转后经采样时序处理后各视场配准关系示意图
Fig.12 Registration relationship of each FOV after image rotation and sampling sequence processing
从获得的月球图像（如
图13 各通道冷空间采样图像
Fig.13 Cold space sampling image of each channel
从冷空间月球采样信号数据中分析发现，在卫星飞行方向CH7，9，2，6各通道观测月球时刻先后间隔约为33条扫描线，各通道扫描月球约170条扫描线，如
图14 通道7，9，6，2观测月球时刻飞行方向扫描线位置关系图
Fig.14 Scanning line position diagram of flight direction of CH7, 9, 6, 2 at lunar observation time
VIRR在冷空间采样区域采取直流恢复技术，由扫描时序产生直流恢复脉冲，对信号进行同步箝位，将此时冷空间信号箝位在零电平，即在箝位电容C上建立起对应空间信号V0电压，之后在远大于扫描周期的时间内保持，如
图15 直流恢复电路示意图
Fig.15 Diagram of DC recovery circuit
利用COMS4066模拟传输门作为箝位开关，直流恢复脉冲宽度为3 ms，脉冲发出后电容开始充电，充电的电平水平和冷空间采样到的能量相对应，正常是保持到3 ms脉冲结束，完成箝位。如果在3 ms完成前冷空间有能量进入，则电容充电电平被抬高，在3 ms结束时箝位电压V0高于正常值，之后的信号电压与箝位电压V0作模拟减，引起之后地球区信号计数值减小，可见光近红外通道图像变暗，红外图像变亮。如果出现负值，可见光近红外通道信号的计数值为0，图像出现黑条，红外通道为1023，图像出现白条。
通过轨道仿真将冷空间观测到月球的时间段缩小，由卫星图像快视系统运行快速筛查，将地球区有条状异常区域的数据与该时刻的冷空间采样点数据进行比对，如果两者均异常即判为月球污染数据，作出质量标记，继而由人工进行数据判别和处理。
冷空被月球污染的数据针对污染的不同程度应做不同的处
设r和s分别为月亮干扰和正常探测器图像的计数值，且0≤r≤1023，0≤s≤1023，统计其概率密度分布分别为Pr（r）和Ps（s），然后分别计算二者的分布函数H（r）和G（s），在离散情况下有
| ， . | （1） |
对G进行反变换，因为是离散值情况，在反映射中常常必须进行近似，对任意r=u，对应于H（u），在s-G域中寻找s=v，使得|H（u）-G（v）|最小，即
|H（u）-G（v）|=min（|H（u）-G（s）| |s∈［0， 1023］）. （2）
将u值映射为v，对r的每一取值根据同样的步骤找出其映射值。根据这些映射值重新分配像元，得到最终的校正结果。
图16 可见光通道1地球区图像 (a)数据订正前，(b)数据订正后
Fig.16 Earth area image of visible channel 1, (a)before data correction, (b)after data correction
对于像红外通道4，因为冷空间箝位处月球能量大于地球区能量，地球区能量与冷空间能量相减出现负值，计数值即出现1023，地球区信息缺失，这种情况数据无法进行订正和修复。这也符合之前月球在冷空间对VIRR的影响可见光近红外通道图像要远小于红外通道受到影响的分
图17 红外通道4地球区图像
Fig.17 Earth area image of IR channel 4
本文针对风云三号B卫星可见光红外扫描辐射计（VIRR）冷空间观测到月球时遥感数据产生的现象，从VIRR仪器的设计和工作模式入手，并通过轨道模拟仿真，分析了在轨现象出现的原因和规律。根据VIRR采用45°旋转扫描镜扫描方式从光学理论上找出了图像旋转后冷空间采样及地球区条带区域的错位原因，结合VIRR冷空间采样箝位机理，阐述了对地球区数据产生的影响，对数据修正作了初步尝试并对数据修正的可能性作了分析。本文的分析和研究对风云一号和风云三号上所有的可见光红外扫描辐射计均适用。
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