巡天觀雨有“雙睛”

付毅飛

聽到火箭點火升空的轟響，正在測試廠房檢查數(shù)據(jù)的楊潤峰百感交集。

“就像養(yǎng)育多年的孩子，突然間真的離開你了。”日前接受科技日報記者采訪時，他這樣回憶雷達上天時的感覺。

今年4月16日，我國首顆降水測量專用衛(wèi)星風云三號G星發(fā)射升空，其主載荷是由中國航天科技集團九院704所研制的我國首套星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達。截至記者發(fā)稿時，該雷達憑借犀利的“雙睛”，已成功探測到全球中低緯度地區(qū)降水的三維精細結(jié)構(gòu)，捕捉到“瑪娃”“泰利”等臺風降雨系統(tǒng)的三維立體結(jié)構(gòu)。在8月份的華北暴雨雨情中，該雷達精準探測到降水三維精細結(jié)構(gòu)信息，為防災減災提供了寶貴的觀測數(shù)據(jù)。

作為704所風云三號G星降水測量雷達主任設(shè)計師，楊潤峰和同事們?yōu)樵摦a(chǎn)品辛勤奮斗了17年。當年意氣風發(fā)的青年，如今已生出華發(fā)。我國處于北太平洋西部臺風活動帶，臺風暴雨內(nèi)澇一直是部分地區(qū)面臨的主要自然災害。

獲取降水資料，過去主要借助雨量計、地基雷達等手段，但受設(shè)備數(shù)量和分布位置限制，大范圍高空間分辨率的地面降水信息很難得到。1997年，美日聯(lián)合發(fā)射裝載降水雷達的TRMM（熱帶降雨測量任務(wù)）衛(wèi)星，開創(chuàng)了星載雷達探測降水的先河，也為我國新一代低軌風云氣象衛(wèi)星發(fā)展提供了借鑒思路。

21世紀初，704所科研人員開始收集材料，對星載降水雷達開展前期研究。他們敏銳地覺察到，相比TRMM衛(wèi)星所用的單頻雷達，雙頻降水雷達在實際應(yīng)用中效果更好。

“Ku、Ka雙頻降水測量雷達能將雷達觀測分辨率高和衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢結(jié)合起來。”704所微波遙感技術(shù)研究室主任江柏森介紹，Ku頻段有利于探測強降水，Ka頻段有利于探測弱降水，兩者同步工作可以擴大降水探測能力，哪怕是每小時0.2毫米的毛毛雨，也能精準感知。

此外，利用降水粒子對不同頻段雷達信號散射不同的特性，雙頻測量可以分辨雨、雪、冰雹等，探測降水過程中的液態(tài)、固態(tài)變化，這在氣象應(yīng)用中十分重要。

當時，美日聯(lián)合實施的全球降水觀測計劃（GPM）啟動不久，星載雙頻降水雷達在國際上也處于探索階段。“那時我們就想，要做就做最好。”江柏森說。

在2006年舉辦的氣象衛(wèi)星發(fā)展論壇上，研制國產(chǎn)降水測量衛(wèi)星成為共識。704所奮勇“揭榜”，扛下了衛(wèi)星主載荷降水測量雷達的研制重任。

這是我國首次研制星載降水測量雷達，方向新、技術(shù)也新，科研工作面臨諸多挑戰(zhàn)。

“該雷達各項指標要求非常高，有些要求在當時國內(nèi)相控陣雷達產(chǎn)品上前所未有，設(shè)計、加工、制造困難重重。”楊潤峰說。

更難的是該雷達的定量化要求。楊潤峰介紹，以等效輻射功率為例，常規(guī)的雷達只是要求輻射功率大于指標即可，至于具體是多少通常不作要求。但對定量化雷達來說，必須對雷達系統(tǒng)參數(shù)作精確定標，它要成為一把標尺，測量強度是多少、強度波動是多少，都要有衡量標準。

這是研制團隊第一次做定量化雷達。怎樣把“尺”做準，他們只能慢慢摸索。

2010年7月，楊潤峰和同事們帶著產(chǎn)品樣機到四川進行測試調(diào)試。正值盛夏，天氣悶熱潮濕，蚊蟲更是肆虐。楊潤峰清楚地記得，野外調(diào)試時，一位同事沒戴手套，僅右手手背上就被叮了26個包。

當年9月，測試調(diào)試初步完成，研制團隊又馬不停蹄奔赴江蘇鹽城，開展機載掛飛試驗。

江柏森介紹，機載掛飛試驗需要同時具備幾個條件：要有降水，又不至于影響飛行；觀測高度要在6000米以上；天上要有氣象衛(wèi)星過境，地面也要布設(shè)觀測設(shè)備，通過天、空、地一體觀測，才能對數(shù)據(jù)進行比對驗證。

達到理想條件很難。江柏森穿著羽絨服、吸著氧，跟飛了7次，大多數(shù)無功而返。

與此同時，楊潤峰和同事們租住在鹽城市郊一個村莊里，在房頂上架滿觀測設(shè)備。由于TRMM衛(wèi)星總是凌晨過境，他們只好半夜工作。奇怪的舉動，一度讓房東和村民們異常困惑。

經(jīng)過兩個多月的掛飛試驗，研制團隊終于獲得了所需數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程化研制奠定了基礎(chǔ)。

造雷達難，要讓它勝任天上的工作更不易。

與大多數(shù)星載雷達間歇性工作不同，降水測量雷達需要在風云三號G星的6年設(shè)計壽命內(nèi)不間斷開機，意味著它至少要連續(xù)工作約5.3萬小時。其可靠性和長壽命要求，成為研制團隊面臨的難題。

楊潤峰帶領(lǐng)設(shè)計團隊，在各種制約因素中探尋最佳平衡——通過優(yōu)化算法和資源配置，彌補高可靠性芯片處理能力弱的問題；在滿足重量、體積、功耗等要求的同時，對系統(tǒng)級、單機級、軟件級等方面進行冗余備份設(shè)計。

相比地面雷達，星載雷達是從天上往下看，面臨很多新問題，例如地表回波會對探測形成干擾。江柏森說，地表回波信號比降水回波信號強百萬倍，如果不能很好地將其分離、消除，降水信號就測不準甚至測不到。對此，研制團隊開展了大量創(chuàng)新攻關(guān)。

在該雷達面陣上，密集排列著一行行縫隙，電磁波就從這些縫隙里輻射出來。江柏森介紹，這數(shù)萬個波導縫隙由精密加工設(shè)備切成，其寬度、深度、角度各不相同，由此可以控制陣面中不同位置電磁波能量的大小和相位。這樣的設(shè)計能有效抑制干擾，解決很多在天上觀測帶來的問題。

相比美日GPM衛(wèi)星，風云三號G星性能優(yōu)勢明顯。“在觀測幅寬上，我們的Ku、Ka波段雷達分別高出20%和140%；相同的靈敏度條件下，我們的‘CT每250米掃描一層，精細程度優(yōu)一倍。”江柏森說。

目前，降水測量雷達在軌測試運行穩(wěn)定，研制人員手里的工作卻絲毫沒有松懈。在密切關(guān)注雷達在軌狀態(tài)的同時，他們已投入到其他星載降水測量雷達的研制，以及下一代降水測量雷達的攻關(guān)中。

“氣象工作與生命安全、生產(chǎn)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)，是事關(guān)人民幸福安康的‘國之大者。”704所所長于勇對記者說，“雙頻降水測量雷達是我們邁出的第一步，未來我們將繼續(xù)在微波主動氣象領(lǐng)域精耕細作，不斷推出更先進的氣象遙感儀器，為我國邁向‘氣象強國作出更大的貢獻！”

◎ 來源|科技日報