研究人员利用FalconNeuro成像技术填补闪电研究的空白

ASIM/European Space Agency

闪电是地球上最常见的自然灾害之一，随着地球气候的变暖，未来或还将面临着更严重的雷暴和雷击增加的影响（https://spectrum.ieee.org/global-warming-soon-with-50-more-lightning）。但大气科学家对闪电的工作原理还有很多不了解的地方。更好的闪电数据可以改善恶劣天气预报和警报，并可以帮助研究人员了解未来危险将增加的地方，以及相关的影响，如野火和对防雷基础设施的需求。

据悉，一种独特的光学传感器已经在国际空间站上呆了两年，可以帮助填补这些空白。西悉尼大学的研究人员在美国空军研究实验室的支持下，展示了使用基于事件的视觉传感器（EBVS）记录雷击细节的方法——与以前相比，成本更低，分辨率更高，数据速率更低。西悉尼大学国际神经形态系统中心副主任Gregory Cohen说：“这项技术基于生物学的工作原理，可以看到普通相机无法看到的东西。”

闪电很亮，速度极快。我们可以在图像中看到它，但我们不知道在放电过程中的哪个点发射了多少能量。我们也不了解闪电是如何在雷雨云中引发的，它是如何穿过云层的，或者它可能放电的频率。更好地理解和预测需要捕捉云对云和云对地闪电中难以确定的特征。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）国家强风暴实验室的研究物理科学家Vanna Chmielewski是一位希望获得更多观测结果的研究人员。她说：“我们从地面上观察到闪电击中或转移电流的位置，我们从太空中可以看到广阔的视野。”但是，试图对齐地面和太空观测，并了解不同仪器所看到的内容，是一个挑战。

全球闪电定位网络（WWLLN）等国际和区域网络通过地面传感器监测无线电信号，生成闪电活动的定期地图。在太空中，美国国家海洋和大气管理局/美国国家航空航天局联合开展的地球静止运行环境卫星（GOES）上的地球静止闪电测绘器使用高像素近红外CCD相机，探测器空间分辨率为10公里，日夜探测美洲上空的闪电。欧洲航天局的闪电成像仪最近开始在欧洲和非洲进行类似的操作，中国气象局正在发射具有类似能力的卫星。

闪电研究员Steven Goodman是GOES项目的名誉高级科学家，他说：“到2040年，我们将有一圈地球静止卫星在地球周围绘制闪电图。”但是从地球静止轨道返回大量数据是困难、缓慢和昂贵的。此外，从太空中可能获得的全地球高度像素化分辨率也有限制。Goodman说：“如果你想象一朵云，里面的灯泡熄灭，光线就会散射，但这会产生一团从云顶看到的光。”

捕捉闪电的细节

这就是Falcon Neuro仪器的用武之地（https://www.frontiersin.org/journals/remote-sensing/articles/10.3389/frsen.2024.1436898/full）。它是一对神经形态视觉传感器，或基于事件的传感器。这些设备不是逐帧捕捉图像，而是捕捉场景中光照水平的变化。原始输出是每个像素的一系列“事件”：亮度变化超过某个阈值的每个时刻，时间为微秒其结果是高对比度、高速的观测，打破了帧率与产生的数据量之间的关系。Cohen说：“通过改变我们从视觉世界生成信息的基本方式，我们获得了太空所需的所有好处——低功耗、高速、低数据速率、高动态范围。”

Cohen、爱荷华大学的Geoff McHarg和他们的同事使用两个经过大量修改的传感器设计了成像仪，一个向下看，一个向前看。成像仪从国际空间站的栖息处收集可见光和近红外光谱的光线。该团队开发了一种特征发现算法，可以在处理成米级分辨率图像的原始数据中识别可能的闪电事件。

为了确认2022年1月至2023年8月的数据中是否存在闪电，研究人员将疑似雷击与全球闪电探测网络（GLD360，https://www.vaisala.com/en/products/systems/lightning/gld360）的地面射频传感器检测到的雷击进行了比较。他们发现，每当GLD360记录到闪电时，Falcon Neuro记录到在同一时间和地点发生的事件集群显著增加。此外，该仪器经常在短短几十毫秒的时间内检测到同一云中的多次闪电。与此同时，GLD360只记录了一次闪光，这表明Falcon Neuro系统正在捕捉地面对应物无法看到的闪电进展的详细特征。而这些高速记录——相当于每秒500到1000帧——每秒只产生3到4兆比特的数据。目前，使用任何其他传感器的小型卫星都不可能做到这一点。

Chmielewski说，首次在轨测试“令人兴奋”。与此同时，Goodman指出，天基传感器最适合探测云中闪电，地基传感器最适合检测云对地闪电。最终，全球闪电监测将受益于各种仪器和方法的结合，每种方法都填补了不同的空白。

Cohen补充说，该演示使用了20世纪90年代的相机组件，他正在研究未来版本，以在不同波长段进行高速闪电记录。Goodman对此表示期待：“紫外线往往不太亮，所以我们不太使用它。但人们想知道这些其他光谱发射线是什么样子的，”他说。

尽管如此，与光学波长下的高分辨率闪电阵列进行比较势在必行。如果它继续表现良好，这对其他平台来说是一个很好的概念证明。Cohen正在为此目的探索高空气球，并用于监测丛林大火。他说：“太空是神经形态传感器的完美应用。”