17年圓夢(mèng)！他們讓我國(guó)首顆鹽度星精準(zhǔn)“嘗咸淡”

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人人都知道海水是咸的，那么地球不同位置的海水會(huì)一樣咸嗎？要回答這個(gè)問題，最簡(jiǎn)單的方式就是用遙感衛(wèi)星去“看”。然而，這件事說起來簡(jiǎn)單，卻困擾了科技界很多年。

11月14日，我國(guó)首顆專門探測(cè)海水鹽度的衛(wèi)星成功發(fā)射升空。當(dāng)天凌晨4點(diǎn)，作為海洋鹽度探測(cè)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱鹽度星）主被動(dòng)微波探測(cè)儀的負(fù)責(zé)人，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱空間中心）研究員劉浩攜團(tuán)隊(duì)早早抵達(dá)了發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)目睹火箭升空后，劉浩迅速回到技術(shù)區(qū)，盯著電腦屏幕顯示的遙測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，主被動(dòng)微波探測(cè)儀的反射面天線在入軌后不久逐步展開到位。他長(zhǎng)舒一口氣：“成了！”

劉浩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研制17年的新型載荷，終于由想法變成了現(xiàn)實(shí)。

海洋鹽度探測(cè)衛(wèi)星主被動(dòng)微波探測(cè)儀團(tuán)隊(duì)?？臻g中心供圖

“將來我們國(guó)家

可能需要這項(xiàng)技術(shù)”

海洋鹽度的高低會(huì)影響海水密度，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)大洋環(huán)流。同時(shí)，它能顯示全球氣候變化及水循環(huán)變化，是“天然的雨量計(jì)”。正因如此，探測(cè)海洋鹽度一直是國(guó)際科學(xué)界的期待。

要想知道全球海洋鹽度的時(shí)空分布情況，最便捷的方式是用遙感衛(wèi)星。而遙感衛(wèi)星的“眼睛”，就是能獲取海面微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)的微波輻射計(jì)。

測(cè)量海洋鹽度的衛(wèi)星對(duì)微波輻射計(jì)的要求極高?！吧囝^都嘗不出來的細(xì)微差別，衛(wèi)星卻要通過微波輻射計(jì)從天上辨別出來。假設(shè)衛(wèi)星探測(cè)鹽度的精度達(dá)到0.1個(gè)實(shí)用鹽度標(biāo)準(zhǔn)（psu），就相當(dāng)于微波輻射計(jì)能分辨1000克海水中含有35克還是34.9克鹽?！眲⒑普f。

不僅如此，微波輻射計(jì)的觀測(cè)還面臨著風(fēng)浪、溫度、地面微波信號(hào)等干擾。 正因?yàn)殡y度大，從全世界范圍看，海洋鹽度的遙感測(cè)量技術(shù)，幾乎是海洋動(dòng)力遙感測(cè)量中最后一個(gè)被解決的技術(shù)難題?！按蠹叶际窍裙タ撕Ｑ鬁囟取⒑Ｃ骘L(fēng)場(chǎng)、海面高度等遙感測(cè)量技術(shù)，最后再考慮怎么解決鹽度的遙感探測(cè)問題。”劉浩說。

2006年，在歐洲空間局訪學(xué)的劉浩深度了解了該局正在研制的土壤水分和海洋鹽度衛(wèi)星（SMOS）。彼時(shí)，SMOS團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)對(duì)鹽度輻射敏感度最高的L波段輻射計(jì)。與此同時(shí)，美國(guó)也開啟了L波段輻射計(jì)相關(guān)預(yù)研工作。

那一刻，劉浩意識(shí)到“將來我們國(guó)家可能需要這項(xiàng)技術(shù)，我們得往前走一步”。

2007年，劉浩回到空間中心，立即向中國(guó)科學(xué)院提出項(xiàng)目申請(qǐng)。在中國(guó)科學(xué)院的支持下，他們以40萬元經(jīng)費(fèi)為基礎(chǔ)，開始了“L波段干涉式綜合孔徑輻射計(jì)”關(guān)鍵技術(shù)研究，目標(biāo)是研制出能穩(wěn)定、高精度探測(cè)海洋鹽度變化的輻射計(jì)。

主動(dòng)揭榜走出新路線

劉浩對(duì)國(guó)家需求的預(yù)判是對(duì)的。

2011年，國(guó)家相關(guān)部委開始組織海洋鹽度探測(cè)載荷的預(yù)先研究，發(fā)布了“主被動(dòng)聯(lián)合探測(cè)鹽度計(jì)預(yù)先研究”項(xiàng)目申報(bào)指南（以下簡(jiǎn)稱指南）。此時(shí)，歐洲于2009年發(fā)射的SMOS衛(wèi)星未達(dá)到預(yù)期的0.1psu探測(cè)精度，美國(guó)在2011年發(fā)射的寶瓶座（Aquarius）衛(wèi)星也存在空間分辨率及視場(chǎng)幅寬偏低的問題。

有了此前的技術(shù)積累，劉浩團(tuán)隊(duì)主動(dòng)揭榜。在項(xiàng)目申請(qǐng)書中，他們?cè)敿?xì)分析了歐美衛(wèi)星的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種綜合雙方優(yōu)點(diǎn)又與二者不同的新技術(shù)路線。

SMOS衛(wèi)星任務(wù)采用的是二維綜合孔徑輻射計(jì)技術(shù)，用諸多小型接收天線替代傳統(tǒng)大孔徑天線；Aquarius衛(wèi)星則采用了 相對(duì)保守的大孔徑天線技術(shù)體系，同時(shí)加入了同頻段的主動(dòng)遙感手段。

劉浩團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的輻射計(jì)將綜合孔徑技術(shù)和大孔徑天線相結(jié)合，在利用綜合孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬視場(chǎng)成像的同時(shí)，利用大孔徑反射面保證了輻射計(jì)具有分辨鹽度變化的足夠靈敏度，同時(shí)兼容多頻主被動(dòng)的探測(cè)。

“這是一種全新的解題思路，我們相信能實(shí)現(xiàn)指南提出的目標(biāo)?！眲⒑普f。

2015年，按照設(shè)計(jì)思路，劉浩團(tuán)隊(duì)順利突破關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到指南提出的技術(shù)指標(biāo)，做出了原理樣機(jī)。

從外觀看，與SMOS衛(wèi)星探測(cè)器的“Y”字形 、Aquarius衛(wèi)星探測(cè)器的“大圓盤”不同，鹽度星的主被動(dòng)微波探測(cè)儀就像推土機(jī)上的“大鏟子”。

被動(dòng)接收微波輻射信號(hào)的饋源系統(tǒng)呈“一”字形排在“大鏟子”斜下方，其中不僅有對(duì)鹽度輻射靈敏的L波段微波輻射計(jì)，還有對(duì)海表溫度等輻射敏感的C、K波段微波輻射計(jì)，3種頻段的接收器組成了綜合孔徑輻射計(jì)。不僅如此，與輻射計(jì)饋源平行排布的還有主動(dòng)發(fā)射微波信號(hào)、用于海面粗糙度校正的L波段數(shù)字波束形成散射計(jì)饋源，由此實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)探測(cè)技術(shù)的結(jié)合。

當(dāng)原理樣機(jī)實(shí)實(shí)在在出現(xiàn)在空間中心懷柔園區(qū)的大院里時(shí)，國(guó)家也有了關(guān)于鹽度星的新規(guī)劃。

2015年，我國(guó)《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中提到，要“創(chuàng)新觀測(cè)體制和技術(shù)，填補(bǔ)高軌微波觀測(cè)、激光測(cè)量、重力測(cè)量、干涉測(cè)量、海洋鹽度探測(cè)、高精度大氣成分探測(cè)等技術(shù)空白”，并將“海洋鹽度探測(cè)”列為“遙感衛(wèi)星科研任務(wù)”之一。

看到規(guī)劃的那一刻，劉浩知道，儲(chǔ)備了這么多年的技術(shù)，終于有了一顯身手的機(jī)會(huì)。

“我們的載荷正飛著呢”

2020年，鹽度星正式批復(fù)立項(xiàng)。劉浩團(tuán)隊(duì)的技術(shù)儲(chǔ)備得到了評(píng)審專家的認(rèn)可。正是從那時(shí)開始，劉浩切身體會(huì)到航天任務(wù)與科研探索的本質(zhì)不同。

科研探索允許不確定性，但航天任務(wù)不行?！把兄瞥鲈順訖C(jī)后，我們發(fā)現(xiàn)，作為一個(gè)idea（想法），它是可行的。但是，當(dāng)它進(jìn)入工程型號(hào)階段、要做成真實(shí)載荷時(shí)，我們必須保證所有細(xì)節(jié)都是確定的。”劉浩說。

對(duì)于劉浩團(tuán)隊(duì)來說，“全新的載荷”意味著“巨大的工作量”。他們和衛(wèi)星工程團(tuán)隊(duì)一起，把系統(tǒng)層面、分系統(tǒng)層面、單機(jī)層面等所有環(huán)節(jié)全部“掰碎”，一步步給出技術(shù)上準(zhǔn)確無誤的實(shí)驗(yàn)論據(jù)。

“每個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)不是我認(rèn)為‘可以’就可以，必須用一系列數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！眲⒑普f。

僅輻射計(jì)的標(biāo)定工作，就曾讓研究人員絞盡腦汁。他們?cè)O(shè)計(jì)的主被動(dòng)微波探測(cè)儀，系統(tǒng)復(fù)雜度史無前例的“高”——輻射計(jì)有3個(gè)頻段、56個(gè)接收通道，散射計(jì)有10個(gè)收發(fā)通道。相比而言，SMOS衛(wèi)星只有單個(gè)頻段、69個(gè)接收通道，Aquarius衛(wèi)星只有單個(gè)頻段、3個(gè)輻射計(jì)接收通道和3個(gè)散射計(jì)收發(fā)通道。

“載荷在軌運(yùn)行要想實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定觀測(cè)，就要每10毫秒對(duì)接收機(jī)做一次定標(biāo)?！眲⒑普f，輻射計(jì)上設(shè)計(jì)了內(nèi)部定標(biāo)源，接收機(jī)需要在星上開關(guān)的控制下不停切換狀態(tài)，一會(huì)兒要接受定標(biāo)源的標(biāo)定，一會(huì)兒又要接收海洋鹽度輻射，而且接收輻射信號(hào)時(shí)不能受到內(nèi)部定標(biāo)源的信號(hào)干擾。

為了驗(yàn)證輻射計(jì)內(nèi)部定標(biāo)源和定標(biāo)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了專門用來檢驗(yàn)定標(biāo)系統(tǒng)的熱真空定標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)。他們將除了反射面天線外的整個(gè)載荷和兩個(gè)亮度溫度不同的定標(biāo)源放進(jìn)了大型真空罐，并且為定標(biāo)源加上滑動(dòng)軌道。這樣，定標(biāo)源就可以滑動(dòng)著為每個(gè)輻射計(jì)饋源通道進(jìn)行定標(biāo)。

整個(gè)載荷在真空罐模擬的真實(shí)在軌環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行了半個(gè)月。團(tuán)隊(duì)24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)，終于趕在計(jì)劃節(jié)點(diǎn)前完成了多項(xiàng)定標(biāo)測(cè)試，獲取了載荷發(fā)射在軌后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所需要的定標(biāo)參數(shù)。

11月14日凌晨，當(dāng)劉浩目送鹽度星升空時(shí)，工程研制過程中的一幕幕在腦海中閃現(xiàn)。當(dāng)天，他給在歐洲空間局工作的好友、SMOS衛(wèi)星載荷總工程師曼努埃爾·馬丁內(nèi)拉發(fā)了一封郵件：“中國(guó)鹽度星發(fā)射成功了！”

馬丁內(nèi)拉在回復(fù)給劉浩的郵件中評(píng)價(jià)：“據(jù)我所知，主被動(dòng)微波探測(cè)儀將是全球第一個(gè)在軌運(yùn)行的多頻段干涉式綜合孔徑微波輻射計(jì)。我為你們感到驕傲！”

11月17日，主被動(dòng)微波探測(cè)儀載荷正式開機(jī)。18日下傳的數(shù)據(jù)顯示，載荷工作穩(wěn)定，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

如今，劉浩團(tuán)隊(duì)正在抓緊時(shí)間進(jìn)行載荷在軌調(diào)試，預(yù)計(jì)2025年初夏向用戶交付。每天，從空間中心懷柔園區(qū)回中關(guān)村園區(qū)的路上，劉浩時(shí)不時(shí)會(huì)透過通勤班車的車窗望向天空。他有了一種別樣的感受：“天上，我們的載荷正飛著呢！”

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2024-12-09 第1版 要聞)

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