國(guó)慶將至，可中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副主任、中科院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任董曉龍還是那么忙。
董曉龍是中法海洋衛(wèi)星海面風(fēng)場(chǎng)微波散射計(jì)分系統(tǒng)的主任設(shè)計(jì)師，而下個(gè)月，這顆中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家首次合作開(kāi)發(fā)的航天遙感衛(wèi)星就要上天了。此前，中國(guó)的航天微波遙感技術(shù)一直處于跟蹤仿制階段，中法海洋衛(wèi)星的研發(fā)將突破這一局面。
自上世紀(jì)70年代我國(guó)率先開(kāi)展微波遙感技術(shù)研究開(kāi)始，40余年間，中科院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)空白，從載人航天、探月工程到氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星，實(shí)驗(yàn)室在微波遙感有效載荷與定量信息技術(shù)研究方面取得了一系列重要突破。
拿董曉龍的話說(shuō)：“不創(chuàng)新，就沒(méi)有出路。”
開(kāi)創(chuàng)微波遙感事業(yè)
我國(guó)的微波遙感研究起步于上世紀(jì)70年代初。
1970年4月24日，中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”發(fā)射成功。衛(wèi)星上天以后，就要解決對(duì)地球的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，沒(méi)有遙感技術(shù)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)，對(duì)遙感技術(shù)的需求因此產(chǎn)生。
微波遙感具有全天候、全天時(shí)的工作能力，并且對(duì)地物目標(biāo)具有一定的穿透力，因此受到了普遍重視并得到飛速發(fā)展。
經(jīng)過(guò) 863計(jì)劃多年的預(yù)研，1992年，中國(guó)工程院院士姜景山等提出，在神舟四號(hào)飛船上裝載多模態(tài)微波遙感器進(jìn)行空間在軌試驗(yàn)，并獲得立項(xiàng)。我國(guó)航天微波遙感研究自此起步。
多模態(tài)微波遙感器是一部對(duì)地觀測(cè)微波遙感綜合系統(tǒng)，包括高度模態(tài)、散射模態(tài)和輻射模態(tài)三種微波遙感工作模態(tài)，經(jīng)過(guò)集中統(tǒng)一控制有機(jī)組合成多種復(fù)合工作模式，利用空間微波遙感技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證工作。
經(jīng)過(guò)近10年的努力，多模態(tài)微波遙感器按計(jì)劃于2002年12月30日由神舟四號(hào)飛船成功送入軌道。高度、散射、輻射三個(gè)模態(tài)都獲取了有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行反演，使我國(guó)首次在衛(wèi)星平臺(tái)上得到了衛(wèi)星到海平面高度、海洋有效波高、海面風(fēng)速以及溫度等信息，驗(yàn)證了三個(gè)模態(tài)的技術(shù)體制及多模態(tài)運(yùn)行功能和輻射計(jì)、高度計(jì)、散射計(jì)各自的功能，驗(yàn)證了雙拋物面天線掃描型風(fēng)場(chǎng)測(cè)量機(jī)理及技術(shù)，驗(yàn)證了四頻道共饋天線技術(shù)。
董曉龍回憶，多模態(tài)微波遙感器是中國(guó)第一次研制星載微波遙感器，這讓當(dāng)時(shí)剛剛博士畢業(yè)的他非常神往。加入姜景山團(tuán)隊(duì)后，他接到的第一個(gè)活兒就是“定標(biāo)”。
“這是微波遙感器設(shè)計(jì)當(dāng)中非常基礎(chǔ)和重要的環(huán)節(jié)，‘標(biāo)’就是‘標(biāo)準(zhǔn)’，相當(dāng)于刻度。沒(méi)有定標(biāo)，就無(wú)法對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行定量測(cè)量。”董曉龍介紹說(shuō)，“定量微波遙感技術(shù)是我們實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，我們是我國(guó)定量微波遙感有效載荷與信息技術(shù)領(lǐng)域唯一的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。”
神舟四號(hào)多模態(tài)微波遙感器實(shí)現(xiàn)了我國(guó)星載微波遙感零的突破，實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證了星載雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和多頻微波輻射計(jì)有效載荷和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為我國(guó)后續(xù)氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星及其他微波遙感衛(wèi)星的研制，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
滿足國(guó)家重大需求
中科院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的定位，是面向國(guó)家對(duì)微波遙感的重大應(yīng)用需求以及地球與空間前沿科學(xué)研究對(duì)微波遙感的探測(cè)需求。
在這一需求目標(biāo)的引領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)了國(guó)家重大科技攻關(guān)計(jì)劃、863計(jì)劃、載人航天、探月工程、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等重大任務(wù)微波遙感技術(shù)研究和微波遙感器的研制工作，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“首次”。
2007年、2010年發(fā)射的嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)微波探測(cè)儀，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了全月微波探測(cè)，首次獲取了全月亮度溫度分布，以此建立的“微波月亮”為月球科學(xué)研究、月球資源研究及應(yīng)用、未來(lái)月球基地的建立等帶來(lái)了全新的數(shù)據(jù)資源，成為國(guó)際探月研究中的一大亮點(diǎn)。
在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星微波探測(cè)儀繞月之前，國(guó)際上還沒(méi)有從月球軌道對(duì)全月球進(jìn)行微波探測(cè)的活動(dòng)，主要還是利用電磁波進(jìn)行月球探測(cè)。也就是只有“可見(jiàn)月亮”和“紅外月亮”的數(shù)據(jù)資源，唯獨(dú)缺少“微波月亮”數(shù)據(jù)。而紅外、可見(jiàn)光主要針對(duì)表面探測(cè)，微波則由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以深入厚度進(jìn)行次表層探測(cè)、厚度探測(cè)、撞擊坑結(jié)構(gòu)探測(cè)等研究。
“我們的微波遙感技術(shù)也使氣象探測(cè)如虎添翼。”董曉龍自豪地說(shuō)。
微波濕度計(jì)是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星中一個(gè)非常重要的有效載荷，工作在短毫米波段，可以全天時(shí)、全天候地探測(cè)全球大氣濕度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空間氣象資料，為臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)。
特別是在2008年“海鷗”“鳳凰”和“森拉克”等臺(tái)風(fēng)侵襲的過(guò)程中，微波濕度計(jì)發(fā)揮了重大監(jiān)測(cè)作用，為研究和預(yù)測(cè)及提高數(shù)值預(yù)報(bào)天氣的準(zhǔn)確性，降低國(guó)民生命和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失提供了有利依據(jù)，也為2008年北京奧運(yùn)會(huì)提供了有力的氣象服務(wù)保障。
微波濕度計(jì)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)短毫米波輻射計(jì)頻率的爬升，使我國(guó)氣象衛(wèi)星大氣濕度探測(cè)與國(guó)際水平接軌。
董曉龍告訴記者，風(fēng)云三號(hào)B、C星微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）和中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)系統(tǒng)中得到穩(wěn)定、可靠的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)星載定量微波遙感技術(shù)的重要突破。
在此之前，我國(guó)氣象預(yù)報(bào)所用的大氣濕度探測(cè)數(shù)據(jù)，主要依靠國(guó)外氣象衛(wèi)星的探測(cè)數(shù)據(jù)，可以說(shuō)，微波濕度計(jì)的出現(xiàn)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)星載大氣微波探測(cè)的空白，提高了我國(guó)在國(guó)際氣象組織中的話語(yǔ)權(quán)。
從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用
2011年，中國(guó)第一顆以微波遙感為主要探測(cè)手段的海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星海洋二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空。
該衛(wèi)星以神舟四號(hào)多模態(tài)微波遙感器體制及機(jī)理為依據(jù)，充分繼承和發(fā)展“多模態(tài)”的成果，集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，裝載雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、掃描微波輻射計(jì)和校正微波輻射計(jì)4個(gè)微波載荷，聯(lián)合起來(lái)監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋動(dòng)力環(huán)境。
“海洋二號(hào)雷達(dá)高度計(jì)和校正輻射計(jì)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外用戶測(cè)試驗(yàn)證海面高度測(cè)量精度達(dá)到5厘米量級(jí)，標(biāo)志我國(guó)星載海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”董曉龍說(shuō)，“它還帶動(dòng)了相關(guān)單機(jī)技術(shù)和可靠性技術(shù)的發(fā)展，并為其他相關(guān)微波載荷的研制提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。在此技術(shù)上，也為下一代精度更高的合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)奠定了基礎(chǔ)。”
2016年發(fā)射的天宮二號(hào)三維成像微波高度計(jì)，是國(guó)際上首個(gè)星載寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)，其實(shí)現(xiàn)了海陸兼容的高精度水體高度測(cè)量，并可對(duì)陸地表面進(jìn)行三維成像，是國(guó)際海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的重大突破。
在姜景山看來(lái)，我國(guó)航天微波遙感技術(shù)的發(fā)展已形成包括前沿理論與方法研究、工程技術(shù)發(fā)展與實(shí)踐等在內(nèi)的完整科學(xué)技術(shù)體系，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全提供了先進(jìn)的科技手段。
如今，中國(guó)的航天微波遙感事業(yè)正從試驗(yàn)走向應(yīng)用，從模仿走向創(chuàng)新。
中法海洋衛(wèi)星是由中國(guó)和法國(guó)聯(lián)合研制的一顆用于海洋動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)的小衛(wèi)星。衛(wèi)星共有兩個(gè)海洋遙感有效載荷，一個(gè)是法國(guó)航天中心提供的用于海洋波浪譜測(cè)量的散射計(jì)；另一個(gè)則是中科院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制的用于海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的散射計(jì)，該散射計(jì)在國(guó)際上首次采用扇形波束掃描體制的微波散射計(jì)系統(tǒng)方案。
這顆衛(wèi)星研制成功后，將能提供更精準(zhǔn)的海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)，為海洋科學(xué)研究、全球氣候變化提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和積累長(zhǎng)時(shí)間序列歷史數(shù)據(jù)。
承擔(dān)這個(gè)任務(wù)，董曉龍還是非常有底氣的。
“目前，我們能在海洋衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、科學(xué)衛(wèi)星上發(fā)揮作用，得益于我們是一個(gè)‘全鏈條’的團(tuán)隊(duì)，從探測(cè)的基本概念出發(fā)到把儀器做出來(lái)、處理數(shù)據(jù)的技術(shù)突破，是我們最主要的特點(diǎn)，也是我們的競(jìng)爭(zhēng)力。”他說(shuō)。
隨著中法海洋衛(wèi)星的發(fā)射，微波散射計(jì)作為中國(guó)研制的唯一遙感載荷，將第一次與航天發(fā)達(dá)國(guó)家的遙感設(shè)備同星競(jìng)技，體現(xiàn)中國(guó)人在微波遙感技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)力。■