“碳星”多波束激光雷達數(shù)據(jù)探測優(yōu)異

　　我國碳匯監(jiān)測正式進入天基遙感時代

　　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，可以讓森林碳匯監(jiān)測變得更加智能和精準。

　　作為我國首顆主被動聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，它的主要任務是進行森林碳匯監(jiān)測。近日，主載荷多波束激光雷達正式“開機”。分析回傳反饋的數(shù)據(jù)，該激光雷達的研制團隊表示：在軌運行正常，數(shù)據(jù)發(fā)揮了作用。我國碳匯監(jiān)測正式進入了天基遙感時代。

　　雷達星載設計壽命是歐美國家的兩倍

　　多波束激光雷達的研制歷經了十年。來自中國航天科技集團九院704所、負責研制此次多波束激光雷達的趙一鳴說：“我們有個博士，剛招進所里就開始干這件事，從20多歲干到了30多歲。”

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

　　這十年間，趙一鳴生了兩個孩子。同事們在私底下會偶爾說起：“趙總這十年里生了三個孩子。”他們說的另一個“孩子”，指的是多波束激光雷達。趙一鳴把這個“孩子”稱為老大，因為老大“上天了”，已經成才了。

　　2022年8月4日，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，隨著長征四號乙運載火箭的成功發(fā)射，配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、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聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，能夠實現(xiàn)對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。

　　“載荷中的兩個激光雷達，一個是探測大氣的，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。

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

　　目前而言，在太空運行的星載產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的星載壽命成了一項挑戰(zhàn)不小的難題。項目團隊成員潘超告訴新京報記者，在星載長壽命的設計上，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的星載壽命延長到8年，即相當于歐美國家的兩倍。

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

　　據(jù)介紹，多波束激光雷達創(chuàng)新實現(xiàn)了主被動共口徑觀測以及植被大氣協(xié)同探測技術，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主被動載荷共口徑復合探測難題。

　　簡單來說，這意味著一個載荷可同時實現(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 研制隊員顧不上喝水

　　項目團隊的隊員覺得這十年過得飛快。他們在密封的工作環(huán)境里，似乎都沒有了時間概念。趙一鳴所在單位的實驗室，是研制多波束激光雷達的地方。試驗忌諱雜光，實驗室的墻壁上掛著黑色的遮光布，穿上潔凈服后，研制隊員們便一頭扎在光學儀器和電腦設備前。

　　那個從20多歲干到30多歲的博士叫李靜。她在實驗室調試時，需要用上一個感光片，目的是把不可見光轉換成可見光，為了精準看見光，她得關上實驗室內的燈。

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

　　在同事眼中，李靜很有韌勁。她在接受新京報記者采訪時也表示：“只要這個事情是交給我做，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。”

　　趙一鳴是航天九院704所招進來的首個國家公派留學博士，此后李靜也加入進來。十多年前，國內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生很少，彼時即將從德國亞琛工業(yè)大學學習結束的李靜，在一場招聘會上，見到了時任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，我國地面激光雷達的應用還比較少，星載的激光雷達應用亟須開發(fā)。“對于星載的激光雷達能在天上發(fā)揮多大作用，實現(xiàn)多大的效能，沒有人能說得太清楚。”趙一鳴稱，既要面向應用，又要實現(xiàn)技術的先進性，這讓多波束激光雷達的立項在一開始就備受質疑。

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

　　解決了星載激光雷達的應用、技術指標的論證、單項關鍵技術的攻關等問題，2016年年底，近50名專家聚在北京一個酒店開展商議評審，會議結束前，專家們一致認為：可行，可做。

　　潘超認為，在既有的條件下，要實現(xiàn)跟跑、并跑、領跑，是個艱難的過程。“但我覺得，你付出了多少，就會收獲多少。”

　　項目團隊從原先的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事業(yè)的。趙一鳴告訴團隊成員：“你們以后當爺爺奶奶了，你就跟孫子輩說，當年我做了個東西，現(xiàn)在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個印記。你們說，這是不是件很偉大的事情？”

　　接收激光回波信號 自動對中尤為關鍵

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

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

　　“簡單地講，自動對中系統(tǒng)就是一個高精度、高分辨率的二維激光指向調整裝置。”該自動對中系統(tǒng)技術負責人周樹春告訴記者。

　　據(jù)他介紹，當前，由于無法獲得高精度實時光軸指向反饋信號，系統(tǒng)精度完全依靠精密機構和控制系統(tǒng)自身設計加工的精度，難度很大。

　　技術團隊從前期的技術攻關，到電性件和鑒定件的研制，再到最后的正樣研制，整個自動對中系統(tǒng)的研制花了近七年。

　　大氣激光雷達在發(fā)射中會經歷劇烈振動，衛(wèi)星發(fā)射入軌后，重力環(huán)境也會發(fā)生變化，這些都會導致原本調整好的收發(fā)光軸發(fā)生變化。

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

　　由于沒有前人的經驗借鑒，自動對中系統(tǒng)的研制過程非常艱難。

　　在做熱真空試驗時，分系統(tǒng)的一項關鍵指標——激光指向的穩(wěn)定性嚴重超標。研制團隊把實驗室當成家，吃住、工作在一起，用了一個多月時間，把各種工況的試驗全部做了一遍，逐個排查。

　　“我們把系統(tǒng)的每一組件在熱真空環(huán)境下的特性摸個遍，最終才找到問題的癥結。作為航天人，要想成功就得對自己狠一點。”周樹春說。

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

　　激光器壽命件穩(wěn)定運行近三年

　　為了實現(xiàn)高精度的碳匯監(jiān)測，研制人員還要做一項創(chuàng)新，將激光雷達和光學相機放在同一載荷上，來實現(xiàn)主被動的聯(lián)合觀測。方案反復論證，測試試驗失敗又重來，歷經兩年多，最終克服了障礙。

　　除了已經在軌運行的激光器，地面上也有個1比1的類似激光器，用于考核激光器的星載壽命。這個地面激光器的驗證測試已持續(xù)近2年8個月，并發(fā)射了14億次的激光脈沖。這一測試證明，激光器已遠遠超過了當時設計的相關要求，性能穩(wěn)定。

　　這些年來，當上媽媽的趙一鳴，有過兩次骨折，拄著雙拐，打著夾板，她也從未掉隊。“為了保證項目的研制周期，李靜博士兩次推遲了自己的手術時間，硬撐著完成了整個載荷的研制后才去做的手術。”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，身體不適感的反應就極其強烈的人。”李靜告訴記者，晚上睡覺做夢，會夢到自己為產品出現(xiàn)的問題焦慮。為了讓自己做的產品不出差錯，在做大氣環(huán)境試驗的熱真空監(jiān)測時，她曾連續(xù)70個小時沒睡覺。去年，李靜間斷性肚子疼，后來才發(fā)現(xiàn)是體內囊腫破裂。

　　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)射基地最近的一個小山包上，死死盯著火箭。一旁的同事問她：“感覺到地動山搖了嗎？”李靜轉頭望著同事，淚水掉了下來。“我真的忍不住，哭了快半小時。發(fā)射完，所(704所)領導來了，我還在哭。真的，我挺自豪的。”李靜說。

　　多波束激光雷達隨著“碳星”順利升空，讓整個項目團隊成員都興奮不已。衛(wèi)星升空后，趙一鳴寫了首打油詩，詩中有兩句是：篳路藍縷無悔懼，只待明年花更好。

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

　　休養(yǎng)中的李靜告訴記者：“希望能早點調整過來，再為祖國奉獻30年。”

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

　　——中國航天科技集團九院704所 趙一鳴

　　作為航天人，要想成功就得對自己狠一點。

　　——中國航天科技集團九院704所 周樹春

　　A06-A07版采寫/新京報記者 張建林