全身国产风云四号：核心仪器辐射计，连日本都要进口

羊君

　来源：中国科学博览

　　导语：我国气象卫星在国际上到底处于什么样的水平？经过15年的艰辛研制，风云四号能够在36000公里远的地球静止轨道上，对地球每15min“照一次相”，风四辐射计的主光学系统能够适应30度以上的温差，扫描镜运动控制精度优于1角秒，与美国GOSE-16装载的ABI，欧洲MTG装载的FCI三足鼎立。

　　---嘉宾介绍---

                                                  沈霞

       风云四号气象卫星扫描成像辐射计副主任设计师

　　中科院上海技术物理研究所副研究员

　　以下内容由沈霞演讲精编而成：

　　真正的地球风云

　　看到风云两个字，你会想到什么？有人会想到“风起云涌”这个词语，也有人会想到“风云人物”，当然也有人脑海中浮现的是《风云雄霸天下》的场景。

　　下图所示是真正的地球风云，这是去年12月11日发射的风云四号气象卫星上面的扫描成像辐射计拍摄的地球24小时的云图，赤道附近有一块亮斑在移动，那是太阳在海洋上面的倒影。

这样一张在我们眼里看来非常普通的图片，在科学家眼里将会是一组庞大的数据，想要看懂那张图，就要先从光说起。


大家比较了解的比如说X光还有红外线，沈霞为大家分享了一个有关红外线的小实验。

     这是一个普通的文件袋，把手放到上面按一小会儿之后用手机和红外热像仪分别拍了两张照片，后者的照片中出现了手的形状，这是因为什么呢？

　　其实红外线是对温度敏感的波段，手按在上面的时候就对这个文件袋的局部进行了加热，让手印的地方温度比周围高，所以热象仪就把它拍出来了。那么既然红外线对温度敏感，能不能用热像仪和红外线的这个原理对物体的温度进行测量呢？答案是肯定的。


       下面这些图从第二张开始是风云四号辐射计拍摄的一些不同波段的图，每一张图代表一种单色光，但实际上其中的可见光只有前面的两张，后面就是近红外还有红外的图片，每一张图片上面的一个像素点都可以推导出一个具体的温度，跟实际温度比，误差小于一度。

羊君

　   这些单色图还可以用来做合成，最开始那张地球风云图就是由前面三个波段的图片合成的。如果拿第一张第二张和第四张合成会看到一张冰云图，蓝色的部分是冰云，温度低于零度的，而白色的就是普通的常温云，把二者区分开来对天气预报有很大的作用。

下面这张合成图是对孟加拉湾北部的一个雾霾监测图，在这张图中灰色的是雾霾，白色的是云还有雪。

                                  三足鼎立的美欧中气象卫星

     那么风云四号气象卫星在国际上到底处在一个什么样的水平呢？要评价风云四号的水平，主要还是要看装在卫星平台上的仪器的性能。

　　美国的GOES-16，它上面装载的主要仪器叫ABI，欧洲的MTG上面装载的是FCI，而我们风云四号上面的是辐射计，辐射计我们可以简单理解为给地球拍照的仪器。

　　这三个系列美欧中可以说是三足鼎立，如果单从辐射计的角度来看，它的性能指标比美国的ABI和欧洲的FCI要略差了那么一点，但是风四上面还装载了另外一台重量级的仪器，就是大气垂直探测仪，是世界上第一个在地球静止轨道首发的大气垂直探测仪器。


        再看发射时间，美国的GOES-16在去年的11月19日首发，去年的12月11日我国风云四号首发，而欧洲的MTG计划要到2019年才发，至于日本的向日葵9我们就不多讨论了，因为它上面的核心仪器是美国人卖给它们的。

　　风云系列大家族

　　风云卫星是气象卫星，气象卫星对防灾减灾有非常重要的作用，它的投入产出比在国际上公认的是1：40，所以我国在1977年就开始发展我国的风云卫星。


        我们来了解一下风云系列的布置轨道，小圈里面的轨道叫太阳同步轨道，高度在500到1000公里左右。它的优点在于能够看清楚南极和北极，但是对同一个地点的观测一天最多只有两次。另外一个轨道就是地球静止轨道，它的轨道高度有36000公里那么远。利用它静止的特点在上面布置卫星，可以对地球同一区域进行24小时的连续成像。

　　作为气象应用，国家是要在这两个轨道同时布置卫星的，它们是相互互补的，所以我国就在太阳同步轨道布置了风云一号，它的第二代产品是风云三号；在地球静止轨道布置了风云二号，它的下一代产品就是目前刚刚首发的风云四号。

羊君

多年心血化为乌有，推翻一切卷土重来

　　风云四号的研制花了15年的时间，过程非常艰辛。美国在1994年发射了GOES-8，当时做了五个通道，2001年我国开始进行风云四号辐射计的预研，瞄准的目标是要做十个通道，在当时看来是蛮先进的。

　　2007年的时候，沈霞所在的风四辐射计团队成功研制出了原理样机，预计一两年内产品就可以成功升天了，而且还能在国际上占到一个领先的位置。但就在这个时候，传来了一个爆炸性的新闻，美国已经开始打造他们的GOES-R系列，并准备在上面装载最新的仪器ABI，ABI比原来的GOES-8进步了太多，它可以拍16个通道的图。

　　这个时候沈霞和她的同事们面临着艰难的选择，一个是把已经研制成功的十通道的产品发射上去，在短时间内保持领先，但是等美国的GOES-R上天以后就又会落后一大截；另外一个选择就是把现在已经研制成功的这台产品推翻重来，重新去研制跟GOES-R同样技术水平的产品。经过短暂的犹豫之后，研制团队和用户达成一致，决定推翻重来。

                       技术难点一一攻克，打造纯正“中华牌”

     可能还是会有人疑惑，这只是做一台拍地球的照相机而已，为什么要花这么长的时间，沈霞在现场举例介绍了项目的难点。

　　风云四号的卫星平台采用了三轴稳定式，在地球静止轨道，三轴稳定式卫星相对太阳的关系，跟地球上的物体相似，有春夏秋冬和日夜温差，失去了大气层的保护，卫星上的温度变化十分剧烈，辐射计上面的某个暴露在外面的测温点显示一天内的最低温在-130度，最高温的时候150度，这样的温度变化每天要循环一个来回。

　　大家都知道照相机是很娇嫩的，而几乎所有的材料都有热胀冷缩的特性，在这么大的一个温度范围之内，如果不采用特殊的技术，相机在热胀冷缩之后早就离焦，因此沈霞和同事们要解决的第一个问题就是热变形的问题。


       美国为仪器打造了一个空调房，利用他们高超的温控技术把这个仪器控制在近乎恒温的一个温度状况。但是我们国家当时的温控技术还做不到这一点，因为受我国的基础科学、基础技术还有基础工业的限制，有些硬件生产不出来。这个时候只能另辟蹊径了，沈霞团队想到了把主光学系统做到能够适应30度的温差，这样子就降低了对温控技术的要求。

　　打造这个光学系统需要一种特殊性质的材料，在一次学术报告会中，沈霞无意中听到有一个大学的老师研制出一种新型的材料，特性正好满足他们的需求。虽然要克服的问题还很多，但是双方都没有放弃，进行了各种工艺改造，经过了七八年时间的努力，最后终于做出了一体化成型的产品。


        拍照片外一个关键的就是要稳，在36000公里远的地方拍照，相机偏了一个角分，地球上就偏了十公里。这个时候就需要研发一套高精度的扫描控制技术，这套技术里面的核心元件是高精度角度传感器。


        达到研制需求的超高绝对测量精度的角度传感器当时国内也是没有的，沈霞和同事辗转调研到常州有位老先生有可能掌握这种技术，找过去的时候这位老先生已经年近70岁了，听到这个合作他欣然答应，双方互助，一方提供实验设备，一方提供研制技术，在这个过程中一起解决了传感器的真空适应性等一系列问题。到今天，这位老先生研制的角度传感器已经在四台载荷上面同时应用了。事实上，风四辐射计真正的核心技术都是掌握在我们自己手里，风云四号打的是纯正的“中华牌”。


        “SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组self@cnic.cn联系