打造大氣“超級CT”

“風(fēng)云四號”氣象衛(wèi)星堪稱科技領(lǐng)域的杰作，因為它搭載了多項世界級的先進載荷，其中運行在靜止軌道的全球首臺干涉式大氣垂直探測儀，如同一顆璀璨的“明珠”。

2011年9月25日至28日，微信啟動畫面突然“變臉”-—哪張標(biāo)志性的地球照片從美國航天員拍攝的圖片換成了我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”的成像圖。地球從未如此清晰！

“風(fēng)云四號”堪稱科技領(lǐng)域的杰作，因為它搭載了多項世界級的先進載荷，其中運行在靜止軌道的全球首臺干涉式大氣垂直探測儀，如同一顆璀璨的“明珠”。

這一先進的探測器在紅外波段擁有1600多條探測通道，猶如一臺“超級CT”，使得每一層的溫度、溫度等數(shù)值都得以精準(zhǔn)測量，為深入研究大氣三維對流、更精細預(yù)測災(zāi)害性天氣提供了可能。

干涉式大氣垂直探測儀的研制團隊來自中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱上海技物所）。自1970年我國謀劃氣象衛(wèi)星事業(yè)之初，上海技物所便積極投身于氣象衛(wèi)星探測儀器的研發(fā)之中，半個多世紀(jì)以來始終堅守陣地，未曾缺席。

然而，這支擅長空間紅外遙感的“國家隊”也曾前路迷茫……

跨代“風(fēng)云”

1969年年初，一場罕見的雨雪冰凍災(zāi)害席卷半個中國，通信電路一度中斷。面對只能依靠國外氣象衛(wèi)星資料的狀況，國家提出研制自己的氣象衛(wèi)星。

從無到有，從弱到強。迄今，我國已成功發(fā)射21顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星。

大氣結(jié)構(gòu)本身是一個復(fù)雜而多維的存在，它的真實結(jié)構(gòu)和變化往往需要三維觀測才能全面揭示。

但人們不知道的是，至2016年中國成功發(fā)射“風(fēng)云四號”之前，全球范圍內(nèi)的氣象衛(wèi)星搭載的光學(xué)遙感儀器捕獲的大氣成像圖普遍為二維視角。

“如果能實現(xiàn)對大氣結(jié)構(gòu)的精細化探測，特別是感知溫濕度在垂直方向上的精確分布和動態(tài)變化，對環(huán)境和自然災(zāi)害種類繁多、發(fā)生頻率較高的中國來說，具有重要意義。”上海技物所所長、干涉式大氣垂直探測儀主任設(shè)計師丁雷表示。

早在20世紀(jì)80年代末，美國就已經(jīng)著手布局靜止軌道氣象衛(wèi)星的創(chuàng)新型儀器研發(fā)，其中一臺關(guān)鍵核心設(shè)備便是探測大氣三維結(jié)構(gòu)的高光譜紅外干涉儀。

在這—領(lǐng)域，美國威斯康星大學(xué)空間科學(xué)和工程中心、美國國家航空和航天局、美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室以及密歇根大學(xué)空間物理研究實驗室均投入了大量精力進行研究，并成功進行了樣機試驗。

美國地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（GOES）曾雄心勃勃地規(guī)劃，在21世紀(jì)前10年將這一高科技的紅外干涉儀送入太空。

然而，歷史發(fā)展的軌跡總是出人意料。

1995年，在中國地球靜止軌道第二代氣象衛(wèi)星研討會上，中國科學(xué)院院士、上海技物所研究員匡定波等人就敏銳地提出，將干涉式大氣垂直探測儀作為“風(fēng)云四號”的主載荷之一。

匡定波說：“搞科研的人，一定要思維敏銳、堅持開拓，不能自滿保守，要善于博采眾家之長。找們的科研工作只有不斷更新目標(biāo)，才能追趕世界水平。”

正是這一極具遠見的建議，為中國氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)的跨代發(fā)展指明了方向。

2001年，上海技物所肩負(fù)起干涉式大氣垂直探測儀預(yù)研工作的重任，我國在這一領(lǐng)域的探索正式起步。歷經(jīng)十五載，世界首臺靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀成功上星。

與此同時，一度在氣象衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的美國和歐洲，由于相關(guān)計劃屢遭延誤，進展緩慢。

那么，這場“后來者居上”的技術(shù)賽跑，中國究竟是如何實現(xiàn)的？

啃下“硬骨頭”

2001年10月，上海技物所的一間會議室里正在進行一場重要的面試，來自香港科技大學(xué)的研究人員華建文的自我介紹很吸引人，尤其是他橫跨光、機、電、熱四大專業(yè)的學(xué)術(shù)背景，十分難得。

匡定波當(dāng)即表示：“我看華建文就適合做干涉儀。”

干涉式大氣垂直探測儀的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)極其復(fù)雜，涉及的學(xué)科面很廣，而華建文的知識儲備恰好都能用得上。

干涉儀作為干涉式大氣垂直探測儀的精髓，其運作基于傅里葉變換光譜探測原理。事實上，這項技術(shù)早在20世紀(jì)70年代后期便被引入國內(nèi)，但由于其十分復(fù)雜，始終未能取得突破性進展。

華建文勇敢地接過這塊難啃的“硬骨頭”，這成為他職業(yè)生涯最重要的一次轉(zhuǎn)折。

干涉儀的主要功能模塊非常復(fù)雜，包括紅外干涉光路、光程差測量光路、動鏡驅(qū)動機構(gòu)、精密光校機構(gòu)、穩(wěn)頻激光器、氣鎖系統(tǒng)、控制電子學(xué)和機械支撐結(jié)構(gòu)等。其中，動鏡的作用尤為關(guān)鍵，它如同干涉儀的心臟，一旦出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)就會失去效能。

在不斷摸索中，華建文總結(jié)出研制干涉儀需要攻克的兩大難關(guān)。

第一大難關(guān)是對運動機構(gòu)精度的極致要求。“當(dāng)時的加工廠無法滿足零件設(shè)計要求，測量運動角度的儀器精度無法達到要求的0.1角秒，甚至連現(xiàn)成的修模工具都沒有。”于是，華建文只好帶著團隊親自設(shè)計制作。

“對于亞微米量級的精度控制，所有關(guān)鍵器件都需要純手工一點一點打磨。”在華建文眼里，干涉儀無異于一件極致的工藝品。

干涉儀對靈敏度的要求很苛刻，即使放在地下室內(nèi)高精度的光學(xué)平臺上，都可以看到干涉信號一直在飄動。于是，細微環(huán)境擾動較少的深夜，就成了華建文及其團隊開展精確測量的最佳工作時段。

第二大難關(guān)是精密的干涉儀很難承受衛(wèi)星發(fā)射振動沖擊的試驗，要想滿足試驗要求，就必須為動鏡驅(qū)動機構(gòu)增加鎖定裝置。由于沒有現(xiàn)成可用的鎖定裝置，團隊經(jīng)過長時間摸索才攻克了這—難題。

除此之外，國際上，靜止軌道干涉式探測儀—般都被設(shè)計為獨立搭載，以免受同衛(wèi)星平臺其他光學(xué)載荷工作的影響。團隊成員苦想冥思后提出一個設(shè)想——從10秒一幅干涉圖改為1秒一幅，再將數(shù)據(jù)平均，實現(xiàn)環(huán)境干擾最小化，從而將兩臺氣象用光學(xué)遙感儀器放置在同一衛(wèi)星平臺上。

然而，科研需要實踐證明，理論設(shè)想無法一步實現(xiàn)。華建文帶領(lǐng)團隊長年累月在地下實驗室工作，通過反復(fù)測算，他們發(fā)現(xiàn)了光校裝配有偏差。團隊花費了數(shù)年心血才解決了這個難題，將儀器光校偏差控制在1角秒內(nèi)。

后來居上

2006年年底，國內(nèi)首臺干涉式大氣垂直探測儀原理樣機研制成功。然而，華建文的心絲毫沒有放下，因為分束器的自主研發(fā)技術(shù)遲遲未能突破。

分束器是干涉儀的核心部件之一，其中的關(guān)鍵技術(shù)難點在于光學(xué)薄膜。

鍍膜材料和基底吸收對均衡分光的影響、應(yīng)力對分束器面型的影響、雙區(qū)域集成鍍膜的工藝難題……2006年，當(dāng)這一系列問題擺在于天燕面前時，她還只是一名在讀博士生。她需要一邊完成其他科研工作，—邊探索這個作為博士研究生課題的紅外寬光譜分束器技術(shù)問題。

由于分束器基片的加工耗時非常久，造價極為昂貴，一旦失敗，金錢損失姑且不提，再加工會嚴(yán)重耽誤任務(wù)進度。

“在分束器攻關(guān)過程中，最崩潰的是千辛萬苦做出來的、自認(rèn)為考慮周全的仿真理論，經(jīng)實驗驗證，結(jié)果卻與理論大相徑庭。這意味著在大量的仿真數(shù)據(jù)里有‘內(nèi)鬼’，叉要花費大量精力來尋找并消滅它。”

在于天燕的記憶里，這種周而復(fù)始的工作在整個攻關(guān)過程中是家常便飯，非常考驗?zāi)土Α！坝袝r候幾個月沒有一點進展，意味著可能會影響衛(wèi)星項目的整體進程，‘壓力山大’。”

這時，干涉式大氣垂直探測儀項目團隊乃至整個研究所鼓勵、包容年輕人的文化，常常給予他們最大的支持。目前已是上海技物所研究員的于天燕，時常感念這種穩(wěn)定人心的力量。

2008年，隨著干涉式大氣垂直探測儀的核心技術(shù)攻關(guān)邁過—道叉一道坎，預(yù)研正式驗收。

可當(dāng)一幅教科書般的二氧化碳光譜圖出現(xiàn)在專家面前時，“風(fēng)云四號”干涉式大氣垂直探測儀的上星計劃又起波瀾。

2006年，美國由于技術(shù)和經(jīng)費原因擱置了研發(fā)靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀的上星計劃；歐洲則決定采取兩臺載荷各研—顆衛(wèi)星的方式，避免同時工作對衛(wèi)星平臺產(chǎn)生擾動。

“風(fēng)云四號”一下成為國際上絕無僅有的一顆同步搭載掃描成像儀和干涉式大氣垂直探測儀的衛(wèi)星，直接挑戰(zhàn)了歐洲正在研制的第三代氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（MTG）分置兩星方案。

在工程立項論證的過程中，支持干涉式大氣垂直探測儀“暫緩上天”的聲音不絕于耳。

彼時，匡定波和中國工程院院士、國家衛(wèi)星氣象中心主任許健民堅持認(rèn)為，成像儀和探測儀應(yīng)該一起上星。

“他們認(rèn)為，要求這種創(chuàng)新型儀器必須萬無一失才能上天的想法不可取。”丁雷說，干涉式大氣垂直探測儀只有真正上星接受實踐的檢驗，才能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而推動技術(shù)的進步。

“當(dāng)別人放棄時，我們堅持，做成了就能領(lǐng)先世界。”華建文質(zhì)樸地表達了所有成員的心聲。

多年后，華建文在和美國同行交流此事時，對方坦言，由于項目中途下馬，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)研究進展受阻，更可惜的是，這讓組建多年的研究隊伍難以維系。

2010年，中國的干涉式大氣垂直探測儀終于拿到“通行證”，在國家國防科技工業(yè)局的支持下正式進入工程階段。

每個人肩上都有一座“泰山”

“把實驗室儀器做成可以上天的儀器，中間的跨越是巨大的。”丁雷指出，它不僅面臨更多的資源約束，還要經(jīng)受完全不同的力學(xué)沖擊和溫度考驗。

在實驗室進行技術(shù)攻關(guān)時，光、機、電、熱等各個專業(yè)領(lǐng)域都會緊密把握各自的技術(shù)指標(biāo)，不容有絲毫妥協(xié)。然而，當(dāng)這些專業(yè)領(lǐng)域需要整合成—個系統(tǒng)為衛(wèi)星服務(wù)時，挑戰(zhàn)隨之而來。

“在整合過程中，我們需要不斷調(diào)整、權(quán)衡和妥協(xié)，以確保各個部分能夠和諧協(xié)同工作，從而讓整個儀器整體效能發(fā)揮到最大。”上海技物所研究員、干涉式大氣垂直探測儀副主任設(shè)計師孫麗崴說。

為了確保干涉儀的穩(wěn)定性，科研團隊從電子學(xué)、制冷機、結(jié)構(gòu)等多個方面人手，為其提供全方位的“保駕護航”。他們內(nèi)外兼修，多方結(jié)合，最終成功解決了這一工程難題，確保了干涉儀在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。

至此，干涉式大氣垂直探測儀的工程化還有最后一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)——整機定標(biāo)。所謂定標(biāo)，就是對儀器精度進行測試使其符合標(biāo)準(zhǔn)，它好比測量儀器的一把尺，直接關(guān)系到用戶的使用效果。但靜止軌道的紅外干涉光譜儀定標(biāo)系統(tǒng)非常復(fù)雜，團隊必須從零做起。

2010年，來到上海技物所僅一年的年輕人李利兵硬著頭皮接過了這個“接力棒”。他和團隊一起花了4年時間，為整個系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)了14臺（套）測試設(shè)備。

“探測儀的各個技術(shù)部分環(huán)環(huán)相扣，尤其到了工程階段，每個環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的時間節(jié)點，完成了才能順利向下傳遞，因此，我們不僅要承擔(dān)各自的工作職責(zé)，更不能辜負(fù)他人的一片心。”李利兵感受到，雖然項目團隊是一個整體，但其實每個人肩上都有一座“泰山”。

時間來到2016年12月11日，干涉式大氣垂直探測儀團隊的很多成員到達“風(fēng)云四號”A星的發(fā)射現(xiàn)場目睹了它成功上星的全過程

氣象衛(wèi)星是離百姓生活最近的衛(wèi)星。“風(fēng)云四號”真正開始讓人們領(lǐng)教其實力的是它讓臺風(fēng)這一氣象災(zāi)害再也無處遁形。

“天鴿”“苗柏”“南瑪都”“瑪莉亞”“安比”“云雀”“摩羯”……夏日臺風(fēng)一個接一個，而“風(fēng)云四號”A星在3 6萬千米高空的地球靜止軌道上，實現(xiàn)大范圍高頻次大氣垂直探測，最快可以每15分鐘給臺風(fēng)做一次“立體掃描”，追蹤它們的一舉一動，所獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用于全球／區(qū)域通用數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)（GRAPES），開啟交互式“觀測-預(yù)報”這一全新模式。

不只臺風(fēng)，當(dāng)嚴(yán)重沙塵暴、特大暴雨、暴雪等災(zāi)害性天氣登場時，“風(fēng)云四號”A星也都經(jīng)受住了考驗。

2023年12月，“風(fēng)云四號”A星在軌穩(wěn)定運行七周年，此后正式開啟了它的超期服役之旅。

有人用“功勛卓著”來形容“風(fēng)云四號”A星。而這顆衛(wèi)星成功的背后，干涉式大氣垂直探測儀功不可沒。

在被問及團隊如何在前途迷茫、廣受爭議的情境中堅持下去時，丁雷坦然答道：“科研人員心里只有國家任務(wù)，是聽不見其他‘噪聲’的。不管有沒有條件、有沒有支持，任務(wù)都要完成，這是我們義不客辭的責(zé)任。”