中科院上海技物所全力打造“中华牌”超级慧眼

2月27日，国防科技工业局和气象局在北京举行新闻发布会，发布新一代地球静止气象卫星风云四号的首批卫星图像。自2016年12月11日成功发射以来，由中国科学院上海技术与物理研究所研制的两个主要光学有效载荷——多通道扫描成像辐射计和干涉大气垂直探测器——已成功启动并在轨测试。大量气象数据已成功传输，图像细节清晰，波段光谱特征清晰。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，目前还不能提供在轨卫星。

风云四号气象卫星是我国第二代静止轨道气象卫星。这种高轨道气象卫星一直是国际竞争的制高点。美国航天局于2016年11月19日发射的新一代地球静止气象卫星GOES-R和日本于同年11月9日发射的向日葵9号地球静止气象卫星未配备干涉大气垂直探测器。欧洲气象卫星应用组织的第三代气象卫星MTG一号和MTG二号将分别配备成像辐射计和干涉大气垂直探测器。前者的第一颗卫星将于2022年发射。与欧美同步气象卫星相比，同时配备先进成像辐射计和新型高光谱探测器的“风云4号”01卫星综合实力远远领先于世界。

从1995年10月举行的“风云四号”气象卫星专家研讨会到2002年国防科工局对卫星和有效载荷布局的初步研究，国家在2010年正式启动工程模型开发，直至2016年12月11日00011发射卫星，历时21年。上海理工大学研发团队先后解决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的技术难题。填补了国内许多空白，实现了所有核心技术的自主研发，完成了所有创新链从基础机制到核心组件再到系统集成的自主可控研发，确保了“风云四号”的两个超级智能眼——多通道扫描成像辐射计和干涉大气垂直探测器——是纯粹的“中国品牌”。

这两个红外光学有效载荷充分利用卫星姿态的三轴稳定模式，在国际竞争中成功抢占地球静止气象卫星的制高点:高频观测和高分辨率区域移动探测能力。其中，多通道扫描成像辐射计大大提高了仪器的性能，可以增强中小尺度天气系统的监测能力。干涉式大气垂直探测器填补了人类高轨道三维精细遥感知识的空白。两个主要有效载荷同时装载在高轨道气象卫星上，这是世界上第一个实现高时间三维地球探测的卫星。提高中国气象卫星的全球观测能力具有划时代的意义。这将在国际气象组织中更加突出“中国元素”，并能有效提升中国的空间气象监测和预警能力。

国际社会高度重视和评价风云四号卫星的发射。美国、俄罗斯和拉美国家的媒体对此进行了首次报道和关注，认为“风云四号”气象卫星将提高中国气象局的定量观测和应用能力。欧洲气象卫星应用组织(EUMETSAT)前主席、德国气象局前局长、世界气象组织空间项目卫星事务高级顾问专家蒂尔曼·摩尔说:“国际气象界渴望使用这种新型数据...如果这些探测数据的价值最终得到确认，干涉大气垂直探测器将成为气象卫星的一项重大突破，中国气象部门将在这一领域处于领先地位。”

多通道扫描成像辐射计是一种瞄准国际先进水平实现气象服务应用的成像仪器。它负责获取地球表面和大气的各种光谱辐射信息，并为天气预报和气候观测提供观测数据。与搭载第一代地球静止气象卫星风云二号的扫描辐射计相比，成功实现了技术的代际跨越:探测波段数量大幅增加，空间分辨率和时间分辨率成倍提高，温度分辨率显著提高，光谱分辨率显著提高，辐射定标精度进一步提高，有效载荷具有灵活的区域成像功能。 其可以获得地球表面和云层的多光谱、高精度定量观测数据和图像，包括全天时的整个地球圆盘的图像和高频区域的图像，从而全面提高地球表面和大气物理参数的多光谱、高频和定量探测能力。 具体来说，辐射计探测到从可见光到光波的13.8微米的长波红外波段，从而将光谱通道的数量增加到14个；可见光通道的最高空间分辨率从1.25公里提高到500米。每15分钟可以扫描一次地球圆盘并成像，并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(1000公里x 1000公里)的范围内进行多光谱密集观测。这是可以实现的，因为卫星采用新的三轴稳定架构模式，仪器采用焦平面检测机制。欧洲航天局不敢尝试运行中的气象卫星，因为设计太难了。

干涉大气垂直探测器是“风云四号”的关键载荷之一，受到同行的关注和重视。早在1997年风云二号刚刚发射，下一代高轨气象卫星开始规划时，中国科学院院士匡就提出中国应发展干涉垂直大气探测技术。这种利用傅里叶变换原理实现大气垂直探测的探测器是红外光谱技术在遥感领域的一次革命，它将使人类对地球的遥感探测进入一个三维阶段，为气象观测提供了一种新的更可靠的手段。美国、欧洲和日本都在朝着这个方向努力。然而，由于太多的技术困难和太多的资金，美国放弃了，欧洲推迟了它的计划。

作为第一台国际静止轨道干涉大气垂直探测器，它可以探测长波红外和中波红外波段1500多个细分光谱，光谱分辨率为0.625波数，红外波段空间分辨率为16公里。这相当于对大气进行1500层以上的精细“立体CT”切片检测。这为人类深入研究大气对流，更好地预报灾害性天气提供了新的可能性。

该探测器实现了成像原理和傅里叶光谱仪原理的结合，是近几十年来红外遥感探测领域科学家追求的理想领域。上海科技体育学院成功将实验室的高精度分析仪器置于36000公里以上的轨道上，并利用光干涉手段对地面目标的大气垂直分布剖面进行了长期连续探测，充分展示了中国科学院“率先实现科技跨越式发展”的创新实力。