“碳星”多波束激光雷達數據探測優(you) 異

　　我國碳匯監測正式進入天基遙感時代

　　如今，在離地球500公裏外的衛星軌道上，一顆“碳星”的使命剛剛開始。放在以前，傳(chuan) 統的碳匯測量要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，而此次“碳星”因攜帶了一種多波束的激光雷達，可以讓森林碳匯監測變得更加智能和精準。

　　作為(wei) 我國首顆主被動聯合觀測的遙感衛星，它的主要任務是進行森林碳匯監測。近日，主載荷多波束激光雷達正式“開機”。分析回傳(chuan) 反饋的數據，該激光雷達的研製團隊表示：在軌運行正常，數據發揮了作用。我國碳匯監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(liang) 倍

　　多波束激光雷達的研製曆經了十年。來自中國航天科技集團九院704所、負責研製此次多波束激光雷達的趙一鳴說：“我們(men) 有個(ge) 博士，剛招進所裏就開始幹這件事，從(cong) 20多歲幹到了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(chan) 品能如期順利地“誕生”。

　　這十年間，趙一鳴生了兩(liang) 個(ge) 孩子。同事們(men) 在私底下會(hui) 偶爾說起：“趙總這十年裏生了三個(ge) 孩子。”他們(men) 說的另一個(ge) “孩子”，指的是多波束激光雷達。趙一鳴把這個(ge) “孩子”稱為(wei) 老大，因為(wei) 老大“上天了”，已經成才了。

　　2022年8月4日，在太原衛星發射中心，隨著長征四號乙運載火箭的成功發射，配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀(yi) 、多角度偏振成像儀(yi) 4種載荷的陸地生態係統碳監測衛星也順利入駐太空。該衛星是我國首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，能夠實現對森林植被生物量、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(liang) 個(ge) 激光雷達，一個(ge) 是探測大氣的，主要針對雲(yun) 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(ge) 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(ti) 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(liang) 個(ge) 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(wei) ，這一利器將為(wei) 我國“雙碳”戰略提供重要技術支撐。

　　目前而言，在太空運行的星載產(chan) 品的可維修性幾乎為(wei) 零。對研製人員來說，延長多波束激光雷達的星載壽命成了一項挑戰不小的難題。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(men) 提出，要把多波束激光雷達的星載壽命延長到8年，即相當於(yu) 歐美國家的兩(liang) 倍。

　　“好比一個(ge) 電燈泡，用久了肯定就會(hui) 有些問題。所以我們(men) 盡可能去延長星載產(chan) 品的在軌運行時間，以獲取更豐(feng) 富的數據。”潘超說，激光雷達大致由光源發射係統、大口徑的接收係統、能進行探測的信息處理係統三個(ge) 部分組成，在一套複雜的光學係統麵前，每個(ge) 部件都需要精心設計。周全考慮，減少失誤，是為(wei) 了最大程度讓產(chan) 品呈現出最佳狀態。

　　據介紹，多波束激光雷達創新實現了主被動共口徑觀測以及植被大氣協同探測技術，並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(ge) 主被動載荷共口徑複合探測難題。

　　簡單來說，這意味著一個(ge) 載荷可同時實現對植被高程測量、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 研製隊員顧不上喝水

　　項目團隊的隊員覺得這十年過得飛快。他們(men) 在密封的工作環境裏，似乎都沒有了時間概念。趙一鳴所在單位的實驗室，是研製多波束激光雷達的地方。試驗忌諱雜光，實驗室的牆壁上掛著黑色的遮光布，穿上潔淨服後，研製隊員們(men) 便一頭紮在光學儀(yi) 器和電腦設備前。

　　那個(ge) 從(cong) 20多歲幹到30多歲的博士叫李靜。她在實驗室調試時，需要用上一個(ge) 感光片，目的是把不可見光轉換成可見光，為(wei) 了精準看見光，她得關(guan) 上實驗室內(nei) 的燈。

　　人員進進出出也會(hui) 影響激光試驗要求的超淨環境。通常情況下，要完成一次試驗的既定工作量，研製人員要控製進食。儀(yi) 器設備啟動後，人就要在跟前，人離開了就需要給設備斷電。所以為(wei) 了節省時間，為(wei) 了保證測試的一致性，在試驗過程中，他們(men) 基本不喝水，以避免上廁所，省下換脫衣服花的時間。

　　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：“隻要這個(ge) 事情是交給我做，不管用什麽(me) 方法，我肯定要把它解決(jue) 好。自己做的激光器能用在航天上，心裏很有成就感。”

　　趙一鳴是航天九院704所招進來的首個(ge) 國家公派留學博士，此後李靜也加入進來。十多年前，國內(nei) 激光器的研製水平與(yu) 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(cong) 德國亞(ya) 琛工業(ye) 大學學習(xi) 結束的李靜，在一場招聘會(hui) 上，見到了時任704所所長的李豔華。一番深刻交流後，李靜決(jue) 定“迎難而上”，回國留在704所。

　　早年間，我國地麵激光雷達的應用還比較少，星載的激光雷達應用亟須開發。“對於(yu) 星載的激光雷達能在天上發揮多大作用，實現多大的效能，沒有人能說得太清楚。”趙一鳴稱，既要麵向應用，又要實現技術的先進性，這讓多波束激光雷達的立項在一開始就備受質疑。

　　有了大量地麵激光雷達驗證的豐(feng) 富數據和經驗，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(liang) 年後，針對探測植被的大光斑激光雷達機載係統掛飛綜合試驗也順利完成。此外，研製人員還對一些工程上的關(guan) 鍵技術進行了攻關(guan) ，驗證了主動載荷從(cong) 天上往地下看的技術和原理的可行性。

　　解決(jue) 了星載激光雷達的應用、技術指標的論證、單項關(guan) 鍵技術的攻關(guan) 等問題，2016年年底，近50名專(zhuan) 家聚在北京一個(ge) 酒店開展商議評審，會(hui) 議結束前，專(zhuan) 家們(men) 一致認為(wei) ：可行，可做。

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

　　項目團隊從(cong) 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(ye) 的。趙一鳴告訴團隊成員：“你們(men) 以後當爺爺奶奶了，你就跟孫子輩說，當年我做了個(ge) 東(dong) 西，現在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個(ge) 印記。你們(men) 說，這是不是件很偉(wei) 大的事情？”

　　接收激光回波信號 自動對中尤為(wei) 關(guan) 鍵

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

　　由於(yu) 激光器發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，此時自動對中係統就尤為(wei) 關(guan) 鍵。

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

　　據他介紹，當前，由於(yu) 無法獲得高精度實時光軸指向反饋信號，係統精度完全依靠精密機構和控製係統自身設計加工的精度，難度很大。

　　技術團隊從(cong) 前期的技術攻關(guan) ，到電性件和鑒定件的研製，再到最後的正樣研製，整個(ge) 自動對中係統的研製花了近七年。

　　大氣激光雷達在發射中會(hui) 經曆劇烈振動，衛星發射入軌後，重力環境也會(hui) 發生變化，這些都會(hui) 導致原本調整好的收發光軸發生變化。

　　周樹春說，此時就需要自動對中係統“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。

　　由於(yu) 沒有前人的經驗借鑒，自動對中係統的研製過程非常艱難。

　　在做熱真空試驗時，分係統的一項關(guan) 鍵指標——激光指向的穩定性嚴(yan) 重超標。研製團隊把實驗室當成家，吃住、工作在一起，用了一個(ge) 多月時間，把各種工況的試驗全部做了一遍，逐個(ge) 排查。

　　“我們(men) 把係統的每一組件在熱真空環境下的特性摸個(ge) 遍，最終才找到問題的症結。作為(wei) 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，自動對中係統已經順利完成了在軌對中過程，準確標定出了激光發射光軸的最佳位置，係統精度和穩定性完全滿足指標要求。

　　激光器壽命件穩定運行近三年

　　為(wei) 了實現高精度的碳匯監測，研製人員還要做一項創新，將激光雷達和光學相機放在同一載荷上，來實現主被動的聯合觀測。方案反複論證，測試試驗失敗又重來，曆經兩(liang) 年多，最終克服了障礙。

　　除了已經在軌運行的激光器，地麵上也有個(ge) 1比1的類似激光器，用於(yu) 考核激光器的星載壽命。這個(ge) 地麵激光器的驗證測試已持續近2年8個(ge) 月，並發射了14億(yi) 次的激光脈衝(chong) 。這一測試證明，激光器已遠遠超過了當時設計的相關(guan) 要求，性能穩定。

　　這些年來，當上媽媽的趙一鳴，有過兩(liang) 次骨折，拄著雙拐，打著夾板，她也從(cong) 未掉隊。“為(wei) 了保證項目的研製周期，李靜博士兩(liang) 次推遲了自己的手術時間，硬撐著完成了整個(ge) 載荷的研製後才去做的手術。”趙一鳴說。

　　“我是屬於(yu) 那種工作起來，就不知道餓、不知道痛，一讓我歇著，身體(ti) 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(hui) 夢到自己為(wei) 產(chan) 品出現的問題焦慮。為(wei) 了讓自己做的產(chan) 品不出差錯，在做大氣環境試驗的熱真空監測時，她曾連續70個(ge) 小時沒睡覺。去年，李靜間斷性肚子疼，後來才發現是體(ti) 內(nei) 囊腫破裂。

　　沒因病痛落淚的李靜，在今年8月初的“碳星”發射現場哭了。她站在離太原衛星發射基地最近的一個(ge) 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(ge) 項目團隊成員都興(xing) 奮不已。衛星升空後，趙一鳴寫(xie) 了首打油詩，詩中有兩(liang) 句是：篳路藍縷無悔懼，隻待明年花更好。

　　近日，記者獲悉，多波束激光雷達在軌運行正常，探測數據優(you) 異。接下來，該激光雷達將在“碳匯”量化監測和全球“碳家底”摸排中發揮至關(guan) 重要的作用。

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

　　你們(men) 以後當爺爺奶奶了，就跟孫子輩說，當年我做了個(ge) 東(dong) 西，現在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個(ge) 印記。你們(men) 說，這是不是件很偉(wei) 大的事情？

　　——中國航天科技集團九院704所 趙一鳴

　　作為(wei) 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(xie) /新京報記者 張建林