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(wù)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。

(資料圖片)

多波束激光雷達測試現(xiàn)場。中國航天科技集團九院704所供圖

星載壽命是歐美國家的兩倍

多波束激光雷達的研制歷經(jīng)了十年。來自中國航天科技集團九院704所、負(fù)責(zé)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?！?/p>

在她看來，用十年時間去雕琢一件事，沒有熱情和責(zé)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(chǎn)品能如期順利地“誕生”。

這十年間，她順利生下了兩個孩子。有時候，同事們在私底下會偶爾說起：“趙總這十年里生了三個孩子?！蓖伦熘兴f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(jīng)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。

從功能上看，這顆“碳星”的多波束激光雷達彌補了傳統(tǒng)被動遙感器在垂直剖面觀測上的空白，發(fā)揮了更精確地掌握氣溶膠——“碳排放”的大氣重要載體的作用。

氣溶膠子系統(tǒng)鑒定件樣機外場試驗現(xiàn)場。中國航天科技集團九院704所供圖

“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(rèn)為，這一利器必將為我國“雙碳”戰(zhàn)略提供重要技術(shù)支撐。

目前而言，在太空運行的星載產(chǎn)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(shè)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(dāng)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(chǎn)品的在軌運行時間，以獲取更豐富的數(shù)據(jù)?！迸顺f，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(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)面前，每個部件都需要精心設(shè)計。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(shù)，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(fù)合探測難題。

簡單來說，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，研制隊員基本不喝水

項目團隊的隊員會覺得這十年過得飛快。他們在密封的工作環(huán)境里，似乎都沒了時間概念。趙一鳴所在單位的實驗室，是他們研制多波束激光雷達的地方。實驗忌諱雜光，實驗室的墻壁上是黑色的遮光布，穿上潔凈服后，這些人便一頭扎進光學(xué)儀器和電腦設(shè)備前。

那個從20多歲熬到30多歲的博士叫李靜。她在實驗室調(diào)試時，需要用上一個感光片，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)上實驗室內(nèi)的燈。

人員進進出出也會影響激光實驗要求的超凈環(huán)境。通常情況下，要完成一次實驗的既定工作量，研制人員要控制進食。儀器設(shè)備啟動后，人就要在跟前。一般人離開了就需要給設(shè)備斷電，所以為了節(jié)省時間，為了保證測試的一致性，在實驗過程中，他們基本不喝水。因為要避免上廁所，要省下?lián)Q脫衣服花的時間。

多波束激光雷達分系統(tǒng)總裝測試現(xiàn)場。中國航天科技集團九院704所供圖

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?！?/p>

趙一鳴是航天九院704所招進來的首個國家公派留學(xué)博士,此后李靜也加入進來。十多年前，國內(nèi)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(xué)生也很少，彼時即將從德國亞琛工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)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(yīng)用還比較少，星載的激光雷達應(yīng)用亟須開發(fā)?！皩τ谛禽d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?！壁w一鳴稱，既要面向應(yīng)用，又要實現(xiàn)技術(shù)的先進性，這讓多波束激光雷達的立項在一開始就備受質(zhì)疑。

有了大量地面激光雷達驗證的豐富數(shù)據(jù)和經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)進行了攻關(guān)，驗證了主動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的應(yīng)用、技術(shù)指標(biāo)的論證、單項關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)等問題，2016年年底，近50名專家聚在北京一個酒店的大廳里，開展商議評審，會議結(jié)束前，專家們一致認(rèn)為：可行，可做。

潘超覺得，在既有的條件下，要實現(xiàn)跟跑、并跑、領(lǐng)跑，是個艱難的過程。“但我也覺得，你付出了多少，就會收獲多少?！彼f。

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)。趙一鳴告訴團隊成員：“你們以后當(dāng)爺爺奶奶了，你就跟孫子輩說，當(dāng)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？”

項目團隊對多波束激光雷達大氣激光器進行裝調(diào)。中國航天科技集團九院704所供圖

接收激光回波信號，自動對中系統(tǒng)尤為關(guān)鍵

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

由于激光器發(fā)散角和望遠(yuǎn)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(guān)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(diào)整裝置?！痹撟詣訉χ邢到y(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(gòu)和控制系統(tǒng)自身設(shè)計加工的精度，其難度很大。

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

大氣激光雷達在發(fā)射中會經(jīng)歷劇烈振動，衛(wèi)星發(fā)射入軌后，重力環(huán)境也會發(fā)生巨大變化，這些因素都會導(dǎo)致原本調(diào)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(zhǔn)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，這也是項目總體特別關(guān)注這一分系統(tǒng)的主要原因。

由于沒有前人的經(jīng)驗借鑒，自動對中系統(tǒng)的研制過程非常艱難，遇到了很多困難，每一個難題的解決都凝聚著項目組設(shè)計人員的巨大付出。

在做熱真空實驗時，作為分系統(tǒng)的一項關(guān)鍵指標(biāo)，激光指向的穩(wěn)定性嚴(yán)重超標(biāo)。研制團隊把試驗室當(dāng)成了家，吃住、工作在一起，花了一個多月時間，把各種工況的實驗全部做了一遍，逐個排查。

多波束激光雷達熱真空試驗現(xiàn)場。中國航天科技集團九院704所供圖

“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(jié)。作為航天人，要想成功就得對自己狠一點?！敝軜浯赫f。

據(jù)了解，目前，自動對中系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了在軌對中過程，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。

沒因病痛落淚，卻在發(fā)射現(xiàn)場失聲痛哭

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(xué)相機放在同一載荷上，來實現(xiàn)主被動的聯(lián)合觀測。團隊沒有經(jīng)驗可借鑒，方案反復(fù)論證，測試實驗失敗又重來，歷經(jīng)兩年多，最終艱難地克服了障礙。

除了已經(jīng)在軌運行的激光器外，地面上也有個類似的激光器。研制人員設(shè)計它，是為了考核激光器的星載壽命。這個1:1的地面激光器的驗證測試已持續(xù)了近2年8個月，并向天上發(fā)射了14億次的激光脈沖。這一測試證明，激光器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時設(shè)計時的相關(guān)要求，性能穩(wěn)定。

這些年來，當(dāng)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。任務(wù)來了，大家都是奔著完成任務(wù)去的。“為了保證項目的研制周期，李靜博士也是兩次推遲了自己的手術(shù)時間，硬撐著完成了整個載荷的研制后才去做的手術(shù)。”趙一鳴說。

據(jù)李靜回憶，在做項目論證的一段時間里，她總感覺肚子疼痛難忍，去醫(yī)院檢查后，發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)懷孕7周了。孩子出生后，簡單休養(yǎng)完就又投入到激光器的研制中。李靜的丈夫也是航天人，他們都很忙，加上雙親年紀(jì)大，行動不太方便，小孩要接種新冠疫苗，結(jié)果拖了兩年半。

去年，李靜又間斷性地覺得肚子疼。“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(yīng)就極其強烈的人?！崩铎o告訴記者，晚上睡覺做夢，會夢到自己為產(chǎn)品出現(xiàn)的問題焦慮。為了讓自己做的產(chǎn)品不出差錯，在做大氣環(huán)境實驗的熱真空監(jiān)測時，她曾連續(xù)70個小時沒睡覺。后來，李靜發(fā)現(xiàn)，自己出現(xiàn)急性劇烈腹痛的原因竟是體內(nèi)囊腫破裂。

對于這種工作狀態(tài)，潘超也提到，他們看的不是時間，而是當(dāng)天任務(wù)的完成度，有些時候，一出實驗室才發(fā)現(xiàn)是凌晨兩三點了。

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(zhuǎn)頭望著同事，淚水掉了下來?！拔艺娴娜滩蛔?，哭了快半小時。發(fā)射完，所（704所）領(lǐng)導(dǎo)來了，我還在哭。真的，我挺自豪的?！崩铎o說。

實際上，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(lán)縷無悔懼，只待明年花更好。

隨著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，該激光雷達將在日后的“碳匯”量化監(jiān)測和全球“碳家底”摸排中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

修養(yǎng)中的李靜也告訴記者：“希望能早點調(diào)整過來，再為祖國奉獻30年?！?/p>