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我國首套星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達(dá)如何誕生

發(fā)布時間:2023-08-30 10:04:00來源: 科技日報

  聽到火箭點火升空的轟響,正在測試廠房檢查數(shù)據(jù)的楊潤峰百感交集。

  “就像養(yǎng)育多年的孩子,突然間真的離開你了?!比涨敖邮芸萍既請笥浾卟稍L時,他這樣回憶雷達(dá)上天時的感覺。

  今年4月16日,我國首顆降水測量專用衛(wèi)星風(fēng)云三號G星發(fā)射升空,其主載荷是由中國航天科技集團(tuán)九院704所研制的我國首套星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達(dá)。截至記者發(fā)稿時,該雷達(dá)憑借犀利的“雙睛”,已成功探測到全球中低緯度地區(qū)降水的三維精細(xì)結(jié)構(gòu),捕捉到“瑪娃”“泰利”等臺風(fēng)降雨系統(tǒng)的三維立體結(jié)構(gòu)。在8月份的華北暴雨雨情中,該雷達(dá)精準(zhǔn)探測到降水三維精細(xì)結(jié)構(gòu)信息,為防災(zāi)減災(zāi)提供了寶貴的觀測數(shù)據(jù)。

  作為704所風(fēng)云三號G星降水測量雷達(dá)主任設(shè)計師,楊潤峰和同事們?yōu)樵摦a(chǎn)品辛勤奮斗了17年。當(dāng)年意氣風(fēng)發(fā)的青年,如今已生出華發(fā)。

  “雙管齊下”造雷達(dá)

  我國處于北太平洋西部臺風(fēng)活動帶,臺風(fēng)暴雨內(nèi)澇一直是部分地區(qū)面臨的主要自然災(zāi)害。

  獲取降水資料,過去主要借助雨量計、地基雷達(dá)等手段,但受設(shè)備數(shù)量和分布位置限制,大范圍高空間分辨率的地面降水信息很難得到。1997年,美日聯(lián)合發(fā)射裝載降水雷達(dá)的TRMM(熱帶降雨測量任務(wù))衛(wèi)星,開創(chuàng)了星載雷達(dá)探測降水的先河,也為我國新一代低軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展提供了借鑒思路。

  21世紀(jì)初,704所科研人員開始搜集材料,對星載降水雷達(dá)開展前期研究。他們敏銳地覺察到,相比TRMM衛(wèi)星所用的單頻雷達(dá),雙頻降水雷達(dá)在實際應(yīng)用中效果更好。

  “Ku、Ka雙頻降水測量雷達(dá),能將雷達(dá)觀測分辨率高和衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢結(jié)合起來?!?04所微波遙感技術(shù)研究室主任江柏森介紹,Ku頻段有利于探測強降水,Ka頻段有利于探測弱降水,兩者同步工作可以擴(kuò)大降水探測能力,哪怕是每小時0.2毫米的毛毛雨,也能精準(zhǔn)感知。

  此外,利用降水粒子對不同頻段雷達(dá)信號散射不同的特性,雙頻測量可以分辨雨、雪、冰雹等,探測降水過程中的液態(tài)、固態(tài)變化,這在氣象應(yīng)用中十分重要。

  當(dāng)時,美日聯(lián)合實施的全球降水觀測計劃(GPM)啟動不久,星載雙頻降水雷達(dá)在國際上也處于探索階段?!澳菚r我們就想,要做就做最好。”江柏森說。

  在2006年舉辦的氣象衛(wèi)星發(fā)展論壇上,研制國產(chǎn)降水測量衛(wèi)星成為共識。704所奮勇“揭榜”,扛下了衛(wèi)星主載荷降水測量雷達(dá)的研制重任。

  千方百計做“標(biāo)尺”

  這是我國首次研制星載降水測量雷達(dá),方向新、技術(shù)也新,科研工作面臨諸多挑戰(zhàn)。

  “該雷達(dá)各項指標(biāo)要求非常高,有些要求在當(dāng)時國內(nèi)相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品上前所未有,設(shè)計、加工、制造困難重重?!睏顫櫡逭f。

  更難的是該雷達(dá)的定量化要求。楊潤峰介紹,以等效輻射功率為例,常規(guī)的雷達(dá)只是要求輻射功率大于指標(biāo)即可,至于具體是多少通常不作要求。但對定量化雷達(dá)來說,必須對雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)作精確定標(biāo),它要成為一把標(biāo)尺,測量強度是多少、強度波動是多少,都要有衡量標(biāo)準(zhǔn)。

  這是研制團(tuán)隊第一次做定量化雷達(dá)。怎樣把“尺”做準(zhǔn),他們只能慢慢摸索。

  2010年7月,楊潤峰和同事們帶著產(chǎn)品樣機到四川進(jìn)行測試調(diào)試。正值盛夏,天氣悶熱潮濕,蚊蟲更是肆虐。楊潤峰清楚地記得,野外調(diào)試時,一位同事沒戴手套,僅右手手背上就被叮了26個包。

  當(dāng)年9月,測試調(diào)試初步完成,研制團(tuán)隊又馬不停蹄奔赴江蘇鹽城,開展機載掛飛試驗。

  江柏森介紹,機載掛飛試驗需要同時具備幾個條件:要有降水,又不至于影響飛行;觀測高度要在6000米以上;天上要有氣象衛(wèi)星過境,地面也要布設(shè)觀測設(shè)備,通過天、空、地一體觀測,才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對驗證。

  達(dá)到理想條件很難。江柏森穿著羽絨服、吸著氧,跟飛了7次,大多數(shù)無功而返。

  與此同時,楊潤峰和同事們租住在鹽城市郊一個村莊里,在房頂上架滿觀測設(shè)備。由于TRMM衛(wèi)星總是凌晨過境,他們只好半夜工作。奇怪的舉動,一度讓房東和村民們異常困惑。

  經(jīng)過兩個多月的掛飛試驗,研制團(tuán)隊終于獲得了所需數(shù)據(jù),為后續(xù)工程化研制奠定了基礎(chǔ)。

  明察秋毫“辨”雨情

  造雷達(dá)難,要讓它勝任天上的工作更不易。

  與大多數(shù)星載雷達(dá)間歇性工作不同,降水測量雷達(dá)需要在風(fēng)云三號G星的6年設(shè)計壽命內(nèi)不間斷開機,意味著它至少要連續(xù)工作約5.3萬小時。其可靠性和長壽命要求,成為研制團(tuán)隊面臨的難題。

  楊潤峰帶領(lǐng)設(shè)計團(tuán)隊,在各種制約因素中探尋最佳平衡——通過優(yōu)化算法和資源配置,彌補高可靠性芯片處理能力弱的問題;在滿足重量、體積、功耗等要求的同時,對系統(tǒng)級、單機級、軟件級等方面進(jìn)行冗余備份設(shè)計。

  相比地面雷達(dá),星載雷達(dá)是從天上往下看,面臨很多新問題,例如地表回波會對探測形成干擾。江柏森說,地表回波信號比降水回波信號強百萬倍,如果不能很好地將其分離、消除,降水信號就測不準(zhǔn)甚至測不到。對此,研制團(tuán)隊開展了大量創(chuàng)新攻關(guān)。

  在該雷達(dá)面陣上,密集排列著一行行縫隙,電磁波就從這些縫隙里輻射出來。江柏森介紹,這數(shù)萬個波導(dǎo)縫隙由精密加工設(shè)備切成,其寬度、深度、角度各不相同,由此可以控制陣面中不同位置電磁波能量的大小和相位。這樣的設(shè)計能有效抑制干擾,解決很多在天上觀測帶來的問題。

  相比美日GPM衛(wèi)星,風(fēng)云三號G星性能優(yōu)勢明顯?!霸谟^測幅寬上,我們的Ku、Ka波段雷達(dá)分別高出20%和140%;相同的靈敏度條件下,我們的‘CT’每250米掃描一層,精細(xì)程度優(yōu)一倍?!苯厣f。

  目前,降水測量雷達(dá)在軌測試運行穩(wěn)定,研制人員手里的工作卻絲毫沒有松懈。在密切關(guān)注雷達(dá)在軌狀態(tài)的同時,他們已投入到其他星載降水測量雷達(dá)的研制,以及下一代降水測量雷達(dá)的攻關(guān)中。

  “氣象工作與生命安全、生產(chǎn)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān),是事關(guān)人民幸福安康的‘國之大者’?!?04所所長于勇對記者說,“雙頻降水測量雷達(dá)是我們邁出的第一步,未來我們將繼續(xù)在微波主動氣象領(lǐng)域精耕細(xì)作,不斷推出更先進(jìn)的氣象遙感儀器,為我國邁向‘氣象強國’作出更大的貢獻(xiàn)!”(記者 付毅飛)

(責(zé)編:李雅妮)

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