风云四号垂直探测仪和扫描辐射计实现代际跨越

(首席记者许)中国第二代静止气象卫星风云四号A于去年年底发射，昨日(2月26日)首次进入地球的阴影。自发射以来，有效载荷一直顺利开启，大量的气象数据相继发回。机载设备经受住了第一轮太空中巨大温差变化的严峻考验。

记者从中国科学院上海技术物理研究所了解到，该所研制的多通道扫描成像辐射计和干涉式垂直大气探测器均已在卫星上同时运行，并经受住了考验。他们还率先在国际上实现了对地球的高时间三维大气探测。

干涉大气垂直探测器是世界上第一个在地球静止卫星上运行的红外高光谱装置。据项目主任设计师、副主任丁磊介绍，该仪器相当于将实验室的高精度分析仪器放置在36000公里以外的轨道上，通过光干扰手段对地面目标的大气垂直分布剖面进行长期连续探测。在长波红外和中波红外波段，可以探测到1500多个细分光谱，相当于对大气进行1500层以上的精细“立体成像”。它为人类深入研究大气对流和更精细地预报灾害性天气提供了新的可能性。

世界气象组织太空计划卫星事务高级顾问蒂尔曼·摩尔说，“风云四号”的有效载荷已经达到日本、美国、欧洲和韩国最先进的地球同步气象卫星的水平。"国际气象界渴望使用这种新型数据."

与1997年发射的风云二号相比，风云四号的多通道扫描成像辐射计也实现了代际技术跨越。它可以每15分钟扫描并成像一次地球的圆盘。它还增加了高速区域扫描功能，可以在30秒内以最快的速度获取地图，并在100万平方公里的区域内进行多光谱密集观测。此外，“风云四号”采用了不同于以往自旋模式的结构，这要求仪器能够适应巨大的温差变化项目总监设计师王甘泉说，这是一个世界级的问题。欧洲航天局不敢尝试运行气象卫星，因为设计太难了。

据报道，该仪器的每个透镜组由40多个透镜组成，它们的变形误差必须小于1微米。即使在地面上，轻微的风吹或附近的手机都会影响它的准确性。上海理工大学体育学院的研究人员巧妙地设计了仪器的热结构。主动温度控制精度可达0.1℃，在-130℃和150℃的温差下能稳定工作。

经过近20年的努力，研发团队先后破解了碳化硅双扫描镜二维扫描机构研制技术、高灵敏度面阵探测器技术、甚长波红外探测技术等亚秒级指向精度技术难题，填补了国内诸多空白，实现了所有核心技术的自主研发，成功打造了新一代地球静止轨道气象卫星的两只“中国眼”。

实现代际跨越的“中国眼”

■徐，本报首席记者

在太空中，地球的阴影刚刚从太阳的灼热中显露出来。在去年底发射升空的风云四号地球静止气象卫星上，新一代扫描成像辐射计和干涉大气垂直探测器两种仪器通过了空间巨大温差变化的残酷考验，并连续不断地向地下传输遥感数据。

在地面上，他们的开发者，中国科学院上海技术物理研究所风四载荷小组的科学家，长舒了一口气。15年的坚持和奉献。首席科学家华说，能够啃下这块让美国和欧洲从困境中退缩的硬骨头是值得的。

在离地面36000公里的地球静止轨道上，这个新的“中国之眼”正在返回大量“中国数据”。国际气象界迫切希望使用其中的一些数据。除了中国的风云四号气象卫星，目前没有在轨卫星能提供这些服务。

当别人放弃时，我们坚持

“没有辐射计，它不是风四；没有探测器，这不会是中国的第四次风。”上海技术物理研究所副所长、探测器设计主任丁磊提到，10多年前，中国科学院院士匡倡议支持研制干涉式垂直大气探测器。

风云二号在1997年刚刚发射，下一代风云二号的计划就开始了。匡丁波建议开发一种干涉大气垂直探测器。该探测器利用傅里叶变换原理对大气进行“超级CT”——从地面将大气切片，将100公里的大气分层，测量每层的温度、湿度等数值，用于灾害性天气监测和大气化学成分检测。

例如，青藏高原上的冷空气下沉并向东流动，从而抬升那里的热空气。这一变化过程最初主要是理论上的推测，并没有被实际观察到。”丁磊说，探测器获得的数据可能让人类第一次真正“看到”这个过程。

这是遥感红外光谱技术的一次革命。早些时候，美国和欧洲都在朝这个方向努力，但到了2006年，美国因为太多的技术困难和太多的资金需求而放弃了，欧洲也对计划进行了重大调整。

中国应该继续吗？

2001年回到技术与体育学院的华在2005年底带领团队调出红外干扰信号，原理样机初步成功。匡丁波说:“虽然这块骨头很难啃，但只要把它送上天堂，它就是成功的第一步。”

国际同行已经认识到检测器的“切片数”达到1000，这是测量检测质量的分水岭。“我们不仅要这么做，还要把目标定在1500层，这几乎是一个梦想值。”丁磊说，既然要啃硬骨头，就要选最难的。

如今，当中国探测器开始提供独家全球数据时，美国研发团队尚未重组，欧洲仪器要到2022年才会推出。

“当别人放弃时，我们坚持；如果你成功了，你将领导世界。”华说，过去中国向外国卫星索取数据，但现在国际气象界迫切需要中国的卫星数据。

对于一个做了一辈子的明星，我愿意

光谱通道从5个扩展到14个；可见光的空间分辨率从1.25千米提高到500米。地球全盘成像时间从30分钟增加到15分钟，未来还将继续增加到不到5分钟……与FY-2的仪器相比，FY-4的扫描辐射计实现了技术的代际飞跃。

成像辐射计针对拍摄点的扫描机制有多精确？总监设计师王甘泉表示，在一个足球场的远处，一面摆放着10000排针孔大小仅为0.04平方毫米的细针，另一面利用扫描机构的反射镜将激光通过针孔反射出去，可以准确穿过9997。

为了准确评价扫描镜的这一精度指标，王甘泉已经思考了12年。如果无法检测到校准，我们如何知道仪器是否符合标准？2014年的一天，他碰巧看到了数据，有一种设备可以在千分之一秒内测量出0.1角秒的误差。然而，在中国可能只有一两个单位有这种技术，但精度是否能满足扫描镜的测试要求是未知的。

他花了一年多的时间往返于北京、Xi等地，不断与相关科研人员交流，推动设备的改进，最终制造出一种能够检测扫描镜动态精度的仪器。

面对如此多前所未有的技术难题，漫长的研发周期考验着科研人员的资质。一般卫星的研发周期为4-6年，但具有高精度定量应用特征的气象卫星的研发周期长达10年以上。一代气象卫星通常必须一颗接一颗地发射几颗卫星，从第一颗到最后一颗，再持续几年，再加上在轨维护任务——在这一生中，真的只有足够这一批卫星使用了。

推进这个项目有许多困难。队里的年轻人来来去去，但许多人仍然坚持这样做。检测团队的“元老”之一王占虎提出了离职的想法，甚至申请了一份新工作。然而，他梦寐以求的第一个红外干扰信号却停留在最后一刻。“去年，探测器随风升空。从那时起，我觉得天空中还有另一个亲戚。”他说，“我想成为一名明星一辈子。”

卫星有效载荷将私营企业带到“天堂”

航天器的性能取决于一个国家的工业基础。即使科学家能设计出最新的负载，如果关键部件不能被制造商加工，它们仍然会被涂成蛋糕。

在项目开始时，研发团队经历了艰辛。根据设计要求，负载中需要一些激光器和光谱仪。当时，这些设备在中国找不到。他们发送了100多封电子邮件在世界各地搜索这些产品。然而，当外国当事方得知具体参数后，它拒绝了技术合作请求，或以没有"销售许可证"为由拒绝销售产品。

他们设计并开发了自己的。他们开始在中国寻找合作企业。有一种材料叫铝基碳化硅，它和铝一样轻，热膨胀和收缩变形小，导热性特别好，但它比铝硬3倍。它非常适合风云四号这种热环境复杂、重量要求高的卫星载荷结构。然而，由于加工困难，它已经无用。

2009年，国内企业终于能够加工这种材料。他们立即找到了企业，并与它一起改进了技术，最终开发出了中国第一套铝基碳化硅扫描机构框架，并成功应用于两个负载。目前，这一行业已在中国广泛应用。

感应同步器中的码盘是关键部件。扫描仪和探测器可以实现高精度的“瞄准和打击”，起着重要的作用。世界上只有一两种产品能满足空间需求。当他们听说产品的高精度时，他们都拒绝了。

最后，研究人员在常熟找到了一家私营企业。该厂业主退休前是昆明机械厂的总工程师，曾参与国家组织的相关产品的研发。然而，这家私营企业在开发高可靠性航天产品方面缺乏足够的经验。研究人员几乎携手解决了可靠性问题，并最终开发出满足中国空间要求的最高精度感应同步器。

碳纤维编织材料、专用测试设备、长寿命高性能润滑脂...15年来，丰思团队推动许多民营企业通过项目升级技术。"虽然私营企业没有航天产品的管理系统，但质量跟踪非常累人."华说:“但是，看到自己的技术和业务指导改变了这些行业，这种成就和满意度不亚于卫星。”