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    全身國產風云四號:核心儀器輻射計連日本都要進口

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-04-25

    我國氣象衛星在國際上到底處于什么樣的水平?經過15年的艱辛研制,風云四號能夠在36000公里遠的地球靜止軌道上,對地球每15min“照一次相”,風四輻射計的主光學系統能夠適應30度以上的溫差,掃描鏡運動控制精度優于1角秒,與美國GOSE-16裝載的ABI,歐洲MTG裝載的FCI三足鼎立。

    ---嘉賓介紹---

    沈霞

    風云四號氣象衛星掃描成像輻射計副主任設計師

    中科院上海技術物理研究所副研究員

    以下內容由沈霞演講精編而成:

    真正的地球風云

    看到風云兩個字,你會想到什么?有人會想到“風起云涌”這個詞語,也有人會想到“風云人物”,當然也有人腦海中浮現的是《風云雄霸天下》的場景。

    下圖所示是真正的地球風云,這是去年12月11日發射的風云四號氣象衛星上面的掃描成像輻射計拍攝的地球24小時的云圖,赤道附近有一塊亮斑在移動,那是太陽在海洋上面的倒影。

    這樣一張在我們眼里看來非常普通的圖片,在科學家眼里將會是一組龐大的數據,想要看懂那張圖,就要先從光說起。

    那些我們看不見的光

    大自然對人類并沒有特別的優待,我們肉眼可見的光只在光譜中占了很小的一部分,還有很多光是我們看不見的。但對于那些我們看不見的光,可以用儀器把它們拍出來。

    大家比較了解的比如說X光還有紅外線,沈霞為大家分享了一個有關紅外線的小實驗。

    這是一個普通的文件袋,把手放到上面按一小會兒之后用手機和紅外熱像儀分別拍了兩張照片,后者的照片中出現了手的形狀,這是因為什么呢?

    其實紅外線是對溫度敏感的波段,手按在上面的時候就對這個文件袋的局部進行了加熱,讓手印的地方溫度比周圍高,所以熱象儀就把它拍出來了。那么既然紅外線對溫度敏感,能不能用熱像儀和紅外線的這個原理對物體的溫度進行測量呢?答案是肯定的。

    下面這些圖從第二張開始是風云四號輻射計拍攝的一些不同波段的圖,每一張圖代表一種單色光,但實際上其中的可見光只有前面的兩張,后面就是近紅外還有紅外的圖片,每一張圖片上面的一個像素點都可以推導出一個具體的溫度,跟實際溫度比,誤差小于一度。

    這些單色圖還可以用來做合成,最開始那張地球風云圖就是由前面三個波段的圖片合成的。如果拿第一張第二張和第四張合成會看到一張冰云圖,藍色的部分是冰云,溫度低于零度的,而白色的就是普通的常溫云,把二者區分開來對天氣預報有很大的作用。

    下面這張合成圖是對孟加拉灣北部的一個霧霾監測圖,在這張圖中灰色的是霧霾,白色的是云還有雪。

    三足鼎立的美歐中氣象衛星

    那么風云四號氣象衛星在國際上到底處在一個什么樣的水平呢?要評價風云四號的水平,主要還是要看裝在衛星平臺上的儀器的性能。

    美國的GOES-16,它上面裝載的主要儀器叫ABI,歐洲的MTG上面裝載的是FCI,而我們風云四號上面的是輻射計,輻射計我們可以簡單理解為給地球拍照的儀器。

    這三個系列美歐中可以說是三足鼎立,如果單從輻射計的角度來看,它的性能指標比美國的ABI和歐洲的FCI要略差了那么一點,但是風四上面還裝載了另外一臺重量級的儀器,就是大氣垂直探測儀,是世界上第一個在地球靜止軌道首發的大氣垂直探測儀器。

    再看發射時間,美國的GOES-16在去年的11月19日首發,去年的12月11日我國風云四號首發,而歐洲的MTG計劃要到2019年才發,至于日本的向日葵9我們就不多討論了,因為它上面的核心儀器是美國人賣給它們的。

    風云系列大家族

    風云衛星是氣象衛星,氣象衛星對防災減災有非常重要的作用,它的投入產出比在國際上公認的是1:40,所以我國在1977年就開始發展我國的風云衛星。

    我們來了解一下風云系列的布置軌道,小圈里面的軌道叫太陽同步軌道,高度在500到1000公里左右。它的優點在于能夠看清楚南極和北極,但是對同一個地點的觀測一天最多只有兩次。另外一個軌道就是地球靜止軌道,它的軌道高度有36000公里那么遠。利用它靜止的特點在上面布置衛星,可以對地球同一區域進行24小時的連續成像。

    作為氣象應用,國家是要在這兩個軌道同時布置衛星的,它們是相互互補的,所以我國就在太陽同步軌道布置了風云一號,它的第二代產品是風云三號;在地球靜止軌道布置了風云二號,它的下一代產品就是目前剛剛首發的風云四號。

    多年心血化為烏有,推翻一切卷土重來

    風云四號的研制花了15年的時間,過程非常艱辛。美國在1994年發射了GOES-8,當時做了五個通道,2001年我國開始進行風云四號輻射計的預研,瞄準的目標是要做十個通道,在當時看來是蠻先進的。

    2007年的時候,沈霞所在的風四輻射計團隊成功研制出了原理樣機,預計一兩年內產品就可以成功升天了,而且還能在國際上占到一個領先的位置。但就在這個時候,傳來了一個爆炸性的新聞,美國已經開始打造他們的GOES-R系列,并準備在上面裝載最新的儀器ABI,ABI比原來的GOES-8進步了太多,它可以拍16個通道的圖。

    這個時候沈霞和她的同事們面臨著艱難的選擇,一個是把已經研制成功的十通道的產品發射上去,在短時間內保持領先,但是等美國的GOES-R上天以后就又會落后一大截;另外一個選擇就是把現在已經研制成功的這臺產品推翻重來,重新去研制跟GOES-R同樣技術水平的產品。經過短暫的猶豫之后,研制團隊和用戶達成一致,決定推翻重來。

    技術難點一一攻克,打造純正“中華牌”

    可能還是會有人疑惑,這只是做一臺拍地球的照相機而已,為什么要花這么長的時間,沈霞在現場舉例介紹了項目的難點。

    風云四號的衛星平臺采用了三軸穩定式,在地球靜止軌道,三軸穩定式衛星相對太陽的關系,跟地球上的物體相似,有春夏秋冬和日夜溫差,失去了大氣層的保護,衛星上的溫度變化十分劇烈,輻射計上面的某個暴露在外面的測溫點顯示一天內的最低溫在-130度,最高溫的時候150度,這樣的溫度變化每天要循環一個來回。

    大家都知道照相機是很嬌嫩的,而幾乎所有的材料都有熱脹冷縮的特性,在這么大的一個溫度范圍之內,如果不采用特殊的技術,相機在熱脹冷縮之后早就離焦,因此沈霞和同事們要解決的第一個問題就是熱變形的問題。

    美國為儀器打造了一個空調房,利用他們高超的溫控技術把這個儀器控制在近乎恒溫的一個溫度狀況。但是我們國家當時的溫控技術還做不到這一點,因為受我國的基礎科學、基礎技術還有基礎工業的限制,有些硬件生產不出來。這個時候只能另辟蹊徑了,沈霞團隊想到了把主光學系統做到能夠適應30度的溫差,這樣子就降低了對溫控技術的要求。

    打造這個光學系統需要一種特殊性質的材料,在一次學術報告會中,沈霞無意中聽到有一個大學的老師研制出一種新型的材料,特性正好滿足他們的需求。雖然要克服的問題還很多,但是雙方都沒有放棄,進行了各種工藝改造,經過了七八年時間的努力,最后終于做出了一體化成型的產品。

    拍照片外一個關鍵的就是要穩,在36000公里遠的地方拍照,相機偏了一個角分,地球上就偏了十公里。這個時候就需要研發一套高精度的掃描控制技術,這套技術里面的核心元件是高精度角度傳感器。

    達到研制需求的超高絕對測量精度的角度傳感器當時國內也是沒有的,沈霞和同事輾轉調研到常州有位老先生有可能掌握這種技術,找過去的時候這位老先生已經年近70歲了,聽到這個合作他欣然答應,雙方互助,一方提供實驗設備,一方提供研制技術,在這個過程中一起解決了傳感器的真空適應性等一系列問題。到今天,這位老先生研制的角度傳感器已經在四臺載荷上面同時應用了。事實上,風四輻射計真正的核心技術都是掌握在我們自己手里,風云四號打的是純正的“中華牌”。

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