“碳星”多波束激光雷達(dá)數(shù)據(jù)探測優(yōu)異

　　我國碳匯監(jiān)測正式進(jìn)入天基遙感時(shí)代

　　如今，在離地球500公里外的衛(wèi)星軌道上，一顆“碳星”的使命剛剛開始。放在以前，傳統(tǒng)的碳匯測量要依靠人工對森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測，而此次“碳星”因攜帶了一種多波束的激光雷達(dá)，可以讓森林碳匯監(jiān)測變得更加智能和精準(zhǔn)。

　　作為我國首顆主被動(dòng)聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，它的主要任務(wù)是進(jìn)行森林碳匯監(jiān)測。近日，主載荷多波束激光雷達(dá)正式“開機(jī)”。分析回傳反饋的數(shù)據(jù)，該激光雷達(dá)的研制團(tuán)隊(duì)表示：在軌運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)發(fā)揮了作用。我國碳匯監(jiān)測正式進(jìn)入了天基遙感時(shí)代。

　　雷達(dá)星載設(shè)計(jì)壽命是歐美國家的兩倍

　　多波束激光雷達(dá)的研制歷經(jīng)了十年。來自中國航天科技集團(tuán)九院704所、負(fù)責(zé)研制此次多波束激光雷達(dá)的趙一鳴說：“我們有個(gè)博士，剛招進(jìn)所里就開始干這件事，從20多歲干到了30多歲。”

　　在她看來，用十年時(shí)間去雕琢一件事，沒有熱情和責(zé)任是很難堅(jiān)持下來的。在科研道路上，沒有人能完全保證，一件產(chǎn)品能如期順利地“誕生”。

　　這十年間，趙一鳴生了兩個(gè)孩子。同事們在私底下會(huì)偶爾說起：“趙總這十年里生了三個(gè)孩子?！彼麄冋f的另一個(gè)“孩子”，指的是多波束激光雷達(dá)。趙一鳴把這個(gè)“孩子”稱為老大，因?yàn)槔洗蟆吧咸炝恕?，已?jīng)成才了。

　　2022年8月4日，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，隨著長征四號(hào)乙運(yùn)載火箭的成功發(fā)射，配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀4種載荷的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星也順利入駐太空。該衛(wèi)星是我國首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾母呔榷窟b感測量。

　　“載荷中的兩個(gè)激光雷達(dá)，一個(gè)是探測大氣的，主要針對云層和氣溶膠，這種探測能獲取二者的分布情況和種類信息；另一個(gè)是探測植被的，可以探測到全球植被冠層的高度，通過冠層高度也能分析出植被體積和分布量。”趙一鳴解釋道。

　　因多波束激光雷達(dá)針對“陸地碳”和“大氣碳”兩個(gè)重要方向，能對植被和大氣進(jìn)行主動(dòng)高精度探測，航天人認(rèn)為，這一利器將為我國“雙碳”戰(zhàn)略提供重要技術(shù)支撐。

　　目前而言，在太空運(yùn)行的星載產(chǎn)品的可維修性幾乎為零。對研制人員來說，延長多波束激光雷達(dá)的星載壽命成了一項(xiàng)挑戰(zhàn)不小的難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員潘超告訴新京報(bào)記者，在星載長壽命的設(shè)計(jì)上，歐美國家一般是3至5年，但此次他們提出，要把多波束激光雷達(dá)的星載壽命延長到8年，即相當(dāng)于歐美國家的兩倍。

　　“好比一個(gè)電燈泡，用久了肯定就會(huì)有些問題。所以我們盡可能去延長星載產(chǎn)品的在軌運(yùn)行時(shí)間，以獲取更豐富的數(shù)據(jù)。”潘超說，激光雷達(dá)大致由光源發(fā)射系統(tǒng)、大口徑的接收系統(tǒng)、能進(jìn)行探測的信息處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，在一套復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)面前，每個(gè)部件都需要精心設(shè)計(jì)。周全考慮，減少失誤，是為了最大程度讓產(chǎn)品呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)。

　　據(jù)介紹，多波束激光雷達(dá)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)共口徑觀測以及植被大氣協(xié)同探測技術(shù)，并在國際上首次攻克高分辨率對地成像，5波束高精度植被探測和1064nm、532nm偏振多通道大氣探測三個(gè)主被動(dòng)載荷共口徑復(fù)合探測難題。

　　簡單來說，這意味著一個(gè)載荷可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對植被高程測量、大氣垂直廓線探測和對地高分辨成像的功能。

　　保證測試一致性 研制隊(duì)員顧不上喝水

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的隊(duì)員覺得這十年過得飛快。他們在密封的工作環(huán)境里，似乎都沒有了時(shí)間概念。趙一鳴所在單位的實(shí)驗(yàn)室，是研制多波束激光雷達(dá)的地方。試驗(yàn)忌諱雜光，實(shí)驗(yàn)室的墻壁上掛著黑色的遮光布，穿上潔凈服后，研制隊(duì)員們便一頭扎在光學(xué)儀器和電腦設(shè)備前。

　　那個(gè)從20多歲干到30多歲的博士叫李靜。她在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)，需要用上一個(gè)感光片，目的是把不可見光轉(zhuǎn)換成可見光，為了精準(zhǔn)看見光，她得關(guān)上實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的燈。

　　人員進(jìn)進(jìn)出出也會(huì)影響激光試驗(yàn)要求的超凈環(huán)境。通常情況下，要完成一次試驗(yàn)的既定工作量，研制人員要控制進(jìn)食。儀器設(shè)備啟動(dòng)后，人就要在跟前，人離開了就需要給設(shè)備斷電。所以為了節(jié)省時(shí)間，為了保證測試的一致性，在試驗(yàn)過程中，他們基本不喝水，以避免上廁所，省下?lián)Q脫衣服花的時(shí)間。

　　在同事眼中，李靜很有韌勁。她在接受新京報(bào)記者采訪時(shí)也表示：“只要這個(gè)事情是交給我做，不管用什么方法，我肯定要把它解決好。自己做的激光器能用在航天上，心里很有成就感?！?/p>

　　趙一鳴是航天九院704所招進(jìn)來的首個(gè)國家公派留學(xué)博士，此后李靜也加入進(jìn)來。十多年前，國內(nèi)激光器的研制水平與國外還有一定差距，像李靜這樣做激光器的學(xué)生很少，彼時(shí)即將從德國亞琛工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)束的李靜，在一場招聘會(huì)上，見到了時(shí)任704所所長的李艷華。一番深刻交流后，李靜決定“迎難而上”，回國留在704所。

　　早年間，我國地面激光雷達(dá)的應(yīng)用還比較少，星載的激光雷達(dá)應(yīng)用亟須開發(fā)?！皩τ谛禽d的激光雷達(dá)能在天上發(fā)揮多大作用，實(shí)現(xiàn)多大的效能，沒有人能說得太清楚。”趙一鳴稱，既要面向應(yīng)用，又要實(shí)現(xiàn)技術(shù)的先進(jìn)性，這讓多波束激光雷達(dá)的立項(xiàng)在一開始就備受質(zhì)疑。

　　有了大量地面激光雷達(dá)驗(yàn)證的豐富數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，2014年，我國針對探測大氣的首例多波長激光雷達(dá)掛飛綜合試驗(yàn)順利完成，兩年后，針對探測植被的大光斑激光雷達(dá)機(jī)載系統(tǒng)掛飛綜合試驗(yàn)也順利完成。此外，研制人員還對一些工程上的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，驗(yàn)證了主動(dòng)載荷從天上往地下看的技術(shù)和原理的可行性。

　　解決了星載激光雷達(dá)的應(yīng)用、技術(shù)指標(biāo)的論證、單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)等問題，2016年年底，近50名專家聚在北京一個(gè)酒店開展商議評審，會(huì)議結(jié)束前，專家們一致認(rèn)為：可行，可做。

　　潘超認(rèn)為，在既有的條件下，要實(shí)現(xiàn)跟跑、并跑、領(lǐng)跑，是個(gè)艱難的過程?！暗矣X得，你付出了多少，就會(huì)收獲多少。”

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從原先的10人壯大到50多人，在趙一鳴看來，這批人是真正熱愛激光雷達(dá)事業(yè)的。趙一鳴告訴團(tuán)隊(duì)成員：“你們以后當(dāng)爺爺奶奶了，你就跟孫子輩說，當(dāng)年我做了個(gè)東西，現(xiàn)在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個(gè)印記。你們說，這是不是件很偉大的事情？”

　　接收激光回波信號(hào) 自動(dòng)對中尤為關(guān)鍵

　　大氣激光雷達(dá)在工作時(shí)，需確保激光器發(fā)射的激光經(jīng)大氣反射后恰好進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡接收視場，才能收到回波信號(hào)。

　　由于激光器發(fā)散角和望遠(yuǎn)鏡視場角都非常小，這一過程就如大海撈針一樣困難，此時(shí)自動(dòng)對中系統(tǒng)就尤為關(guān)鍵。

　　“簡單地講，自動(dòng)對中系統(tǒng)就是一個(gè)高精度、高分辨率的二維激光指向調(diào)整裝置?！痹撟詣?dòng)對中系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人周樹春告訴記者。

　　據(jù)他介紹，當(dāng)前，由于無法獲得高精度實(shí)時(shí)光軸指向反饋信號(hào)，系統(tǒng)精度完全依靠精密機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)加工的精度，難度很大。

　　技術(shù)團(tuán)隊(duì)從前期的技術(shù)攻關(guān)，到電性件和鑒定件的研制，再到最后的正樣研制，整個(gè)自動(dòng)對中系統(tǒng)的研制花了近七年。

　　大氣激光雷達(dá)在發(fā)射中會(huì)經(jīng)歷劇烈振動(dòng)，衛(wèi)星發(fā)射入軌后，重力環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)導(dǎo)致原本調(diào)整好的收發(fā)光軸發(fā)生變化。

　　周樹春說，此時(shí)就需要自動(dòng)對中系統(tǒng)“大顯身手”，它有一套高效的搜索策略，確保準(zhǔn)確地找到最佳對中位置，對中完成是激光雷達(dá)工作的第一步。

　　由于沒有前人的經(jīng)驗(yàn)借鑒，自動(dòng)對中系統(tǒng)的研制過程非常艱難。

　　在做熱真空試驗(yàn)時(shí)，分系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)——激光指向的穩(wěn)定性嚴(yán)重超標(biāo)。研制團(tuán)隊(duì)把實(shí)驗(yàn)室當(dāng)成家，吃住、工作在一起，用了一個(gè)多月時(shí)間，把各種工況的試驗(yàn)全部做了一遍，逐個(gè)排查。

　　“我們把系統(tǒng)的每一組件在熱真空環(huán)境下的特性摸個(gè)遍，最終才找到問題的癥結(jié)。作為航天人，要想成功就得對自己狠一點(diǎn)?！敝軜浯赫f。

　　記者了解到，目前，自動(dòng)對中系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了在軌對中過程，準(zhǔn)確標(biāo)定出了激光發(fā)射光軸的最佳位置，系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性完全滿足指標(biāo)要求。

　　激光器壽命件穩(wěn)定運(yùn)行近三年

　　為了實(shí)現(xiàn)高精度的碳匯監(jiān)測，研制人員還要做一項(xiàng)創(chuàng)新，將激光雷達(dá)和光學(xué)相機(jī)放在同一載荷上，來實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)的聯(lián)合觀測。方案反復(fù)論證，測試試驗(yàn)失敗又重來，歷經(jīng)兩年多，最終克服了障礙。

　　除了已經(jīng)在軌運(yùn)行的激光器，地面上也有個(gè)1比1的類似激光器，用于考核激光器的星載壽命。這個(gè)地面激光器的驗(yàn)證測試已持續(xù)近2年8個(gè)月，并發(fā)射了14億次的激光脈沖。這一測試證明，激光器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，性能穩(wěn)定。

　　這些年來，當(dāng)上媽媽的趙一鳴，有過兩次骨折，拄著雙拐，打著夾板，她也從未掉隊(duì)?！盀榱吮ＷC項(xiàng)目的研制周期，李靜博士兩次推遲了自己的手術(shù)時(shí)間，硬撐著完成了整個(gè)載荷的研制后才去做的手術(shù)。”趙一鳴說。

　　“我是屬于那種工作起來，就不知道餓、不知道痛，一讓我歇著，身體不適感的反應(yīng)就極其強(qiáng)烈的人?！崩铎o告訴記者，晚上睡覺做夢，會(huì)夢到自己為產(chǎn)品出現(xiàn)的問題焦慮。為了讓自己做的產(chǎn)品不出差錯(cuò)，在做大氣環(huán)境試驗(yàn)的熱真空監(jiān)測時(shí)，她曾連續(xù)70個(gè)小時(shí)沒睡覺。去年，李靜間斷性肚子疼，后來才發(fā)現(xiàn)是體內(nèi)囊腫破裂。

　　沒因病痛落淚的李靜，在今年8月初的“碳星”發(fā)射現(xiàn)場哭了。她站在離太原衛(wèi)星發(fā)射基地最近的一個(gè)小山包上，死死盯著火箭。一旁的同事問她：“感覺到地動(dòng)山搖了嗎？”李靜轉(zhuǎn)頭望著同事，淚水掉了下來?！拔艺娴娜滩蛔?，哭了快半小時(shí)。發(fā)射完，所(704所)領(lǐng)導(dǎo)來了，我還在哭。真的，我挺自豪的?！崩铎o說。

　　多波束激光雷達(dá)隨著“碳星”順利升空，讓整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員都興奮不已。衛(wèi)星升空后，趙一鳴寫了首打油詩，詩中有兩句是：篳路藍(lán)縷無悔懼，只待明年花更好。

　　近日，記者獲悉，多波束激光雷達(dá)在軌運(yùn)行正常，探測數(shù)據(jù)優(yōu)異。接下來，該激光雷達(dá)將在“碳匯”量化監(jiān)測和全球“碳家底”摸排中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

　　休養(yǎng)中的李靜告訴記者：“希望能早點(diǎn)調(diào)整過來，再為祖國奉獻(xiàn)30年?！?/p>

　　你們以后當(dāng)爺爺奶奶了，就跟孫子輩說，當(dāng)年我做了個(gè)東西，現(xiàn)在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個(gè)印記。你們說，這是不是件很偉大的事情？

　　——中國航天科技集團(tuán)九院704所 趙一鳴

　　作為航天人，要想成功就得對自己狠一點(diǎn)。

　　——中國航天科技集團(tuán)九院704所 周樹春

　　A06-A07版采寫/新京報(bào)記者 張建林