我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)正式進(jìn)入天基遙感時(shí)代
“碳星”多波束激光雷達(dá)數(shù)據(jù)探測(cè)優(yōu)異
我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)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(cè)量要依靠人工對(duì)森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測(cè),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(cè)變得更加智能和精準(zhǔn)。
作為我國(guó)首顆主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星,它的主要任務(wù)是進(jìn)行森林碳匯監(jiān)測(cè)。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(guó)碳匯監(jiān)測(cè)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(guó)家的兩倍
多波束激光雷達(dá)的研制歷經(jīng)了十年。來(lái)自中國(guó)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(shuō):“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?!?/p>
在她看來(lái),用十年時(shí)間去雕琢一件事,沒(méi)有熱情和責(zé)任是很難堅(jiān)持下來(lái)的。在科研道路上,沒(méi)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?cè)谒降紫聲?huì)偶爾說(shuō)起:“趙總這十年里生了三個(gè)孩子?!彼麄冋f(shuō)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(zhǎng)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(cè)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(cè)衛(wèi)星也順利入駐太空。該衛(wèi)星是我國(guó)首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(cè)量。
“載荷中的兩個(gè)激光雷達(dá),一個(gè)是探測(cè)大氣的,主要針對(duì)云層和氣溶膠,這種探測(cè)能獲取二者的分布情況和種類信息;另一個(gè)是探測(cè)植被的,可以探測(cè)到全球植被冠層的高度,通過(guò)冠層高度也能分析出植被體積和分布量?!壁w一鳴解釋道。
因多波束激光雷達(dá)針對(duì)“陸地碳”和“大氣碳”兩個(gè)重要方向,能對(duì)植被和大氣進(jìn)行主動(dòng)高精度探測(cè),航天人認(rèn)為,這一利器將為我國(guó)“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(duì)研制人員來(lái)說(shuō),延長(zhǎng)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(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)上,歐美國(guó)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(zhǎng)到8年,即相當(dāng)于歐美國(guó)家的兩倍。
“好比一個(gè)電燈泡,用久了肯定就會(huì)有些問(wèn)題。所以我們盡可能去延長(zhǎng)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)?!迸顺f(shuō),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(cè)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(cè)以及植被大氣協(xié)同探測(cè)技術(shù),并在國(guó)際上首次攻克高分辨率對(duì)地成像,5波束高精度植被探測(cè)和1064nm、532nm偏振多通道大氣探測(cè)三個(gè)主被動(dòng)載荷共口徑復(fù)合探測(cè)難題。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),這意味著一個(gè)載荷可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)植被高程測(cè)量、大氣垂直廓線探測(cè)和對(duì)地高分辨成像的功能。
保證測(cè)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(jué)得這十年過(guò)得飛快。他們?cè)诿芊獾墓ぷ鳝h(huán)境里,似乎都沒(méi)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(cè)試的一致性,在試驗(yàn)過(guò)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(lái)的首個(gè)國(guó)家公派留學(xué)博士,此后李靜也加入進(jìn)來(lái)。十多年前,國(guó)內(nèi)激光器的研制水平與國(guó)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(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)束的李靜,在一場(chǎng)招聘會(huì)上,見到了時(shí)任704所所長(zhǎng)的李艷華。一番深刻交流后,李靜決定“迎難而上”,回國(guó)留在704所。
早年間,我國(guó)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?duì)于星載的激光雷達(dá)能在天上發(fā)揮多大作用,實(shí)現(xiàn)多大的效能,沒(méi)有人能說(shuō)得太清楚?!壁w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(guó)針對(duì)探測(cè)大氣的首例多波長(zhǎng)激光雷達(dá)掛飛綜合試驗(yàn)順利完成,兩年后,針對(duì)探測(cè)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(duì)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(wèn)題,2016年年底,近50名專家聚在北京一個(gè)酒店開展商議評(píng)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(guò)程。“但我覺(jué)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(lái),這批人是真正熱愛(ài)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(shuō),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(lái),在地球上有個(gè)印記。你們說(shuō),這是不是件很偉大的事情?”
接收激光回波信號(hào) 自動(dòng)對(duì)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(chǎng),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(chǎng)角都非常小,這一過(guò)程就如大海撈針一樣困難,此時(shí)自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)就尤為關(guān)鍵。
“簡(jiǎn)單地講,自動(dòng)對(duì)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。”該自動(dòng)對(duì)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(wú)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(duì)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(shuō),此時(shí)就需要自動(dòng)對(duì)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(duì)中位置,對(duì)中完成是激光雷達(dá)工作的第一步。
由于沒(méi)有前人的經(jīng)驗(yàn)借鑒,自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)的研制過(guò)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(wèn)題的癥結(jié)。作為航天人,要想成功就得對(duì)自己狠一點(diǎn)。”周樹春說(shuō)。
記者了解到,目前,自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了在軌對(duì)中過(guò)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(cè),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(lái)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)的聯(lián)合觀測(cè)。方案反復(fù)論證,測(cè)試試驗(yàn)失敗又重來(lái),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(cè)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(cè)試證明,激光器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求,性能穩(wěn)定。
這些年來(lái),當(dāng)上媽媽的趙一鳴,有過(guò)兩次骨折,拄著雙拐,打著夾板,她也從未掉隊(duì)。“為了保證項(xiàng)目的研制周期,李靜博士?jī)纱瓮七t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(shuō)。
“我是屬于那種工作起來(lái),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。”李靜告訴記者,晚上睡覺(jué)做夢(mèng),會(huì)夢(mèng)到自己為產(chǎn)品出現(xiàn)的問(wèn)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(cè)時(shí),她曾連續(xù)70個(gè)小時(shí)沒(méi)睡覺(jué)。去年,李靜間斷性肚子疼,后來(lái)才發(fā)現(xiàn)是體內(nèi)囊腫破裂。
沒(méi)因病痛落淚的李靜,在今年8月初的“碳星”發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)她:“感覺(jué)到地動(dòng)山搖了嗎?”李靜轉(zhuǎn)頭望著同事,淚水掉了下來(lái)?!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(lái)了,我還在哭。真的,我挺自豪的?!崩铎o說(shuō)。
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(shī),詩(shī)中有兩句是:篳路藍(lán)縷無(wú)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(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)異。接下來(lái),該激光雷達(dá)將在“碳匯”量化監(jiān)測(cè)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(guò)來(lái),再為祖國(guó)奉獻(xiàn)30年?!?/p>
你們以后當(dāng)爺爺奶奶了,就跟孫子輩說(shuō),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(lái),在地球上有個(gè)印記。你們說(shuō),這是不是件很偉大的事情?
——中國(guó)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(duì)自己狠一點(diǎn)。
——中國(guó)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
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