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2017年9月25日至28日，微信啟動(dòng)畫面突然“變臉”——那張標(biāo)志性的地球照片從美國(guó)航天員拍攝的圖片換成了我國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號(hào)”的成像圖。地球從未如此清晰！

“風(fēng)云四號(hào)”堪稱科技領(lǐng)域的杰作，因?yàn)樗钶d了多項(xiàng)世界級(jí)的先進(jìn)載荷，其中運(yùn)行在靜止軌道的全球首臺(tái)干涉式大氣垂直探測(cè)儀，如同一顆璀璨的“明珠”。

這一先進(jìn)的探測(cè)器在紅外波段擁有1600多條探測(cè)通道，猶如一臺(tái)“超級(jí)CT”，使得每一層的溫度、濕度等數(shù)值都得以精準(zhǔn)測(cè)量，為深入研究大氣三維對(duì)流、更精細(xì)預(yù)測(cè)災(zāi)害性天氣提供了可能。

干涉式大氣垂直探測(cè)儀的研制團(tuán)隊(duì)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱上海技物所）。自1970年我國(guó)謀劃氣象衛(wèi)星事業(yè)之初，上海技物所便積極投身于氣象衛(wèi)星探測(cè)儀器的研發(fā)之中，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)始終堅(jiān)守陣地，未曾缺席。

然而，這支擅長(zhǎng)空間紅外遙感的“國(guó)家隊(duì)”也曾前路迷茫過(guò)……

1?跨代“風(fēng)云”

1969年初，一場(chǎng)罕見(jiàn)的雨雪冰凍災(zāi)害席卷半個(gè)中國(guó)，通信電路一度中斷。面對(duì)只能依靠國(guó)外氣象衛(wèi)星資料的狀況，周恩來(lái)總理堅(jiān)定地表示：“要搞我們自己的氣象衛(wèi)星。”

從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)。迄今，我國(guó)已成功發(fā)射21顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星。

大氣結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)復(fù)雜而多維的存在，它的真實(shí)結(jié)構(gòu)和變化往往需要三維觀測(cè)才能全面揭示。

但人們有所不知的是，2016年中國(guó)成功發(fā)射“風(fēng)云四號(hào)”之前，全球范圍內(nèi)的氣象衛(wèi)星搭載的光學(xué)遙感儀器捕獲的大氣成像圖普遍為二維視角。

“如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣結(jié)構(gòu)的精細(xì)化探測(cè)，特別是感知溫濕度在垂直方向上的精確分布和動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于環(huán)境和自然災(zāi)害種類繁多、發(fā)生頻率較高的中國(guó)來(lái)說(shuō)，具有重要意義?！鄙虾＜嘉锼L(zhǎng)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀主任設(shè)計(jì)師丁雷表示。

早在20世紀(jì)80年代末，美國(guó)就已經(jīng)著手布局靜止軌道氣象衛(wèi)星的創(chuàng)新型儀器研發(fā)，其中一臺(tái)關(guān)鍵核心設(shè)備便是探測(cè)大氣三維結(jié)構(gòu)的高光譜紅外干涉儀。

在這一領(lǐng)域，美國(guó)威斯康星大學(xué)空間科學(xué)和工程中心、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室以及密歇根大學(xué)空間物理研究實(shí)驗(yàn)室均投入了大量精力進(jìn)行研究，并成功進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。

美國(guó)地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（GOES）曾雄心勃勃地規(guī)劃，在21世紀(jì)前10年將這一高科技的紅外干涉儀送入太空。

然而，歷史發(fā)展的軌跡總是出人意料。

1995年，在中國(guó)地球靜止軌道第二代氣象衛(wèi)星研討會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、上海技物所研究員匡定波等人就敏銳地提出，將干涉式大氣垂直探測(cè)儀作為“風(fēng)云四號(hào)”的主載荷之一。

匡定波曾說(shuō)：“搞科研的人，一定要思維敏銳、堅(jiān)持開拓，不能自滿保守，要善于博采眾家之長(zhǎng)。我們的科研工作只有不斷更新目標(biāo)，才能追趕世界水平?！?/p>

正是這一極具遠(yuǎn)見(jiàn)的建議，為中國(guó)氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)的跨代發(fā)展指明了方向。

2001年，上海技物所肩負(fù)起干涉式大氣垂直探測(cè)儀預(yù)研工作的重任，我國(guó)在這一領(lǐng)域的探索正式起步。歷經(jīng)十五載，世界首臺(tái)靜止軌道干涉式大氣垂直探測(cè)儀成功上星。

與此同時(shí)，曾一度在氣象衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的美國(guó)和歐洲，由于相關(guān)計(jì)劃屢遭延誤，進(jìn)展緩慢。

這場(chǎng)“后來(lái)者居上”的技術(shù)賽跑，中國(guó)究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？

“風(fēng)云四號(hào)”B星干涉式大氣垂直探測(cè)儀出廠時(shí)合影。

2?啃下“硬骨頭”

2001年10月，上海技物所的一間會(huì)議室里正在進(jìn)行一場(chǎng)重要的面試，來(lái)自香港科技大學(xué)的研究人員華建文的自我介紹很吸引人，尤其是他橫跨光、機(jī)、電、熱四大專業(yè)的學(xué)術(shù)背景，十分難得。

匡定波當(dāng)即表示：“我看華建文就適合做干涉儀?！?/p>

干涉式大氣垂直探測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)極其復(fù)雜，涉及的學(xué)科面很廣，而華建文的知識(shí)儲(chǔ)備恰好都能用得上。

干涉儀作為干涉式大氣垂直探測(cè)儀的精髓，其運(yùn)作基于傅里葉變換光譜探測(cè)原理。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)早在20世紀(jì)70年代后期便被引入國(guó)內(nèi)，但由于其十分復(fù)雜，始終未能取得突破性進(jìn)展。

華建文則勇敢地接過(guò)這塊難啃的“硬骨頭”，這成為他職業(yè)生涯最重要的一次轉(zhuǎn)折。

干涉儀的工作原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行干涉，干涉圖像經(jīng)過(guò)傅里葉變換形成光譜圖，再經(jīng)過(guò)氣象學(xué)大氣遙感反演，得到大氣溫度、濕度的三維結(jié)構(gòu)。

干涉儀的主要功能模塊非常復(fù)雜，包括紅外干涉光路、光程差測(cè)量光路、動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、精密光校機(jī)構(gòu)、穩(wěn)頻激光器、氣鎖系統(tǒng)、控制電子學(xué)和機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)等。其中，動(dòng)鏡的作用尤為關(guān)鍵，它如同干涉儀的心臟，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)失去效能。

在不斷摸索中，華建文總結(jié)出研制干涉儀需要攻克的兩大難關(guān)。

第一大難關(guān)是對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度的極致要求。一塊平面鏡在10mm范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，傾斜量要始終小于1~2角秒，這在傅里葉光譜領(lǐng)域是技術(shù)“制高點(diǎn)”。“當(dāng)時(shí)的加工廠無(wú)法滿足零件設(shè)計(jì)要求，測(cè)量運(yùn)動(dòng)角度的儀器精度無(wú)法達(dá)到要求的0.1角秒，甚至連現(xiàn)成的修模工具都沒(méi)有?！庇谑?，華建文只好帶著團(tuán)隊(duì)親自設(shè)計(jì)制作。

“對(duì)于亞微米量級(jí)的精度控制，所有關(guān)鍵器件都需要純手工一點(diǎn)一點(diǎn)打磨?！痹谌A建文眼里，干涉儀無(wú)異于一件極致的工藝品。

干涉儀對(duì)靈敏度的要求很苛刻，即使放在地下室內(nèi)高精度的光學(xué)平臺(tái)上，都可以看到干涉信號(hào)一直在飄動(dòng)。于是，細(xì)微環(huán)境擾動(dòng)較少的深夜，就成了華建文及其團(tuán)隊(duì)開展精確測(cè)量的最佳工作時(shí)段。

第二大難關(guān)是精密的干涉儀很難承受衛(wèi)星發(fā)射振動(dòng)沖擊的試驗(yàn)。要想滿足試驗(yàn)要求，就必須為動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)增加鎖定裝置。由于沒(méi)有現(xiàn)成可用的鎖定裝置，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間摸索才攻克了這一難題。

除此之外，國(guó)際上，靜止軌道干涉式探測(cè)儀一般都被設(shè)計(jì)為獨(dú)立搭載，以免受同衛(wèi)星平臺(tái)其他光學(xué)載荷工作的影響。團(tuán)隊(duì)成員苦想冥思后提出一個(gè)設(shè)想——從10秒一幅干涉圖改為1秒一幅，再將數(shù)據(jù)平均，實(shí)現(xiàn)環(huán)境干擾最小化，從而將兩臺(tái)氣象用光學(xué)遙感儀器放置在同一衛(wèi)星平臺(tái)上。

然而，科研需要實(shí)踐證明，理論設(shè)想無(wú)法一步實(shí)現(xiàn)。華建文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)年累月在地下實(shí)驗(yàn)室工作，不時(shí)質(zhì)問(wèn)自己：答案就在這里，為什么信號(hào)出不來(lái)？

通過(guò)反復(fù)測(cè)算，他們發(fā)現(xiàn)了光校裝配有偏差。團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了數(shù)年心血才解決了這個(gè)難題，將儀器光校偏差控制在1角秒內(nèi)。

紅外干涉儀技術(shù)研發(fā)平臺(tái)研制團(tuán)隊(duì)。

3?后來(lái)居上

2006年底，國(guó)內(nèi)首臺(tái)干涉式大氣垂直探測(cè)儀原理樣機(jī)研制成功。然而，華建文的心絲毫沒(méi)有放下，因?yàn)榉质鞯淖灾餮邪l(fā)技術(shù)遲遲未能突破。

分束器是干涉儀的核心部件之一，也是西方國(guó)家對(duì)我國(guó)禁運(yùn)的一項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于光學(xué)薄膜。

鍍膜材料和基底吸收對(duì)均衡分光的影響、應(yīng)力對(duì)分束器面型的影響、雙區(qū)域集成鍍膜的工藝難題，2006年，當(dāng)這一系列問(wèn)題拋向于天燕時(shí)，她還只是一名在讀博士生。她需要一邊完成其他科研工作，一邊探索這個(gè)作為博士研究生課題的紅外寬光譜分束器技術(shù)問(wèn)題。

由于分束器基片的加工耗時(shí)非常久，造價(jià)極為昂貴，一旦失敗，金錢損失姑且不提，再加工會(huì)嚴(yán)重耽誤任務(wù)進(jìn)度。

“在分束器攻關(guān)過(guò)程中，最崩潰的是千辛萬(wàn)苦做出來(lái)的、自認(rèn)為考慮周全的仿真理論，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果卻嚴(yán)重偏離理論。這意味著在大量的仿真數(shù)據(jù)里有‘內(nèi)鬼’，又要花費(fèi)大量精力來(lái)尋找并消滅它?！?/p>

在于天燕的記憶里，這種周而復(fù)始的工作在整個(gè)攻關(guān)過(guò)程中是家常便飯，非?？简?yàn)?zāi)土Α！坝袝r(shí)候幾個(gè)月沒(méi)有一點(diǎn)進(jìn)展，意味著可能會(huì)影響衛(wèi)星項(xiàng)目的整體進(jìn)程，‘壓力山大’?！?/p>

然而，干涉式大氣垂直探測(cè)儀項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)乃至整個(gè)研究所鼓勵(lì)、包容年輕人的文化，常常能在他們陷入困境時(shí)給予最大的支持。目前已是上海技物所研究員的于天燕，時(shí)常感念這種穩(wěn)定人心的力量。

2008年，隨著干涉式大氣垂直探測(cè)儀的核心技術(shù)攻關(guān)邁過(guò)一道又一道坎，預(yù)研正式驗(yàn)收。

可當(dāng)一幅教科書般的二氧化碳光譜圖出現(xiàn)在專家面前時(shí)，“風(fēng)云四號(hào)”干涉式大氣垂直探測(cè)儀的上星計(jì)劃又起波瀾。

2006年，美國(guó)由于技術(shù)和經(jīng)費(fèi)原因擱置了研發(fā)靜止軌道干涉式大氣垂直探測(cè)儀的上星計(jì)劃；歐洲則決定采取兩臺(tái)載荷各研一顆衛(wèi)星的方式，避免同時(shí)工作對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)。

“風(fēng)云四號(hào)”一下成為了國(guó)際上絕無(wú)僅有的一顆同步搭載掃描成像儀和干涉式大氣垂直探測(cè)儀的衛(wèi)星，直接挑戰(zhàn)了歐洲正在研制的第三代氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（MTG）分置兩星方案。

在工程立項(xiàng)論證的過(guò)程中，支持干涉式大氣垂直探測(cè)儀“暫緩上天”的聲音不絕于耳。

彼時(shí)，匡定波和中國(guó)工程院院士、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心主任許健民堅(jiān)持認(rèn)為，成像儀和探測(cè)儀應(yīng)該一起上星。

“他們認(rèn)為，要求這種創(chuàng)新型儀器必須萬(wàn)無(wú)一失才能上天的想法不可取?！倍±渍f(shuō)，干涉式大氣垂直探測(cè)儀只有真正上星接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。

“當(dāng)別人放棄時(shí)，我們堅(jiān)持，做成功了就領(lǐng)先世界。”華建文質(zhì)樸地表達(dá)了所有成員的心聲。

多年后，華建文在和美國(guó)同行交流此事時(shí)，對(duì)方坦言，由于項(xiàng)目中途下馬，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展受阻，更可惜的是，這讓組建多年的研究隊(duì)伍難以維系。

2010年，中國(guó)的干涉式大氣垂直探測(cè)儀終于拿到“通行證”，在國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局的支持下正式進(jìn)入工程階段。

干涉式大氣垂直探測(cè)儀核心——低溫紅外干涉儀。

4?每個(gè)人肩上都有一座“泰山”

“把實(shí)驗(yàn)室儀器做成可以上天的儀器，中間的跨越是巨大的。”丁雷指出，它不僅面臨更多的資源約束，還要經(jīng)受完全不同的力學(xué)沖擊和溫度考驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)時(shí)，光、機(jī)、電、熱等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都會(huì)緊密把握各自的技術(shù)指標(biāo)，不容有絲毫妥協(xié)。然而，當(dāng)這些專業(yè)領(lǐng)域需要整合成一個(gè)系統(tǒng)為衛(wèi)星服務(wù)時(shí)，挑戰(zhàn)隨之而來(lái)。

“在整合過(guò)程中，我們需要不斷調(diào)整、權(quán)衡和妥協(xié)，以確保各個(gè)部分能夠和諧協(xié)同工作，從而讓整個(gè)儀器整體效能發(fā)揮到最大?！鄙虾＜嘉锼芯繂T、干涉式大氣垂直探測(cè)儀副主任設(shè)計(jì)師孫麗崴說(shuō)。

為了確保干涉儀的穩(wěn)定性，科研團(tuán)隊(duì)從電子學(xué)、制冷機(jī)、結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面入手，為其提供全方位的“保駕護(hù)航”。他們內(nèi)外兼修，多方結(jié)合，最終成功解決了這一工程難題，確保了干涉儀在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。

至此，干涉式大氣垂直探測(cè)儀的工程化還有最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)——整機(jī)定標(biāo)。所謂定標(biāo)，就是對(duì)儀器精度進(jìn)行測(cè)試使其符合標(biāo)準(zhǔn)，它好比測(cè)量?jī)x器的一把尺，直接關(guān)系到用戶的使用效果。但靜止軌道的紅外干涉光譜儀定標(biāo)系統(tǒng)非常復(fù)雜，團(tuán)隊(duì)必須從零做起。

2010年，來(lái)到上海技物所僅一年的年輕人李利兵硬著頭皮接過(guò)了這個(gè)“接力棒”。他和團(tuán)隊(duì)一起花了4年時(shí)間，為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)了14臺(tái)套測(cè)試設(shè)備。

“探測(cè)儀的各個(gè)技術(shù)部分環(huán)環(huán)相扣，尤其到了工程階段，每個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，完成了才能順利向下傳遞，因此，我們不僅要承擔(dān)各自的工作職責(zé)，更不能辜負(fù)他人的一片心?！崩罾惺艿?，雖然項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)是一個(gè)整體，但其實(shí)每個(gè)人肩上都有一座“泰山”。

時(shí)間來(lái)到2016年12月11日，干涉式大氣垂直探測(cè)儀團(tuán)隊(duì)的很多成員到達(dá)“風(fēng)云四號(hào)”A星的發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)，目睹了它成功上星的全過(guò)程。

氣象衛(wèi)星是離百姓生活最近的衛(wèi)星。“風(fēng)云四號(hào)”真正開始讓人們領(lǐng)教其實(shí)力的是，它讓臺(tái)風(fēng)這一氣象災(zāi)害再也無(wú)處遁形。

“天鴿”“苗柏”“南瑪都”“瑪莉亞”“安比”“云雀”“摩羯”……夏日臺(tái)風(fēng)一個(gè)接一個(gè)，而“風(fēng)云四號(hào)”A星在3.6萬(wàn)公里高空的地球靜止軌道上，實(shí)現(xiàn)大范圍高頻次大氣垂直探測(cè)，最快可以每15分鐘給臺(tái)風(fēng)做一次“立體掃描”，追蹤它們的一舉一動(dòng)，所獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用于全球/區(qū)域通用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GRAPES），開啟交互式“觀測(cè)-預(yù)報(bào)”這一全新模式。

不只臺(tái)風(fēng)，當(dāng)嚴(yán)重沙塵暴、特大暴雨、暴雪等災(zāi)害性天氣登場(chǎng)時(shí)，“風(fēng)云四號(hào)”A星也都經(jīng)受住了考驗(yàn)。

2023年12月，“風(fēng)云四號(hào)”A星在軌穩(wěn)定運(yùn)行七周年，此后正式開啟了它的超期服役之旅。

有人用“功勛卓著”來(lái)形容“風(fēng)云四號(hào)”A星。而這顆衛(wèi)星成功的背后，干涉式大氣垂直探測(cè)儀功不可沒(méi)。

在被問(wèn)及團(tuán)隊(duì)如何在前途迷茫、廣受爭(zhēng)議的情境中堅(jiān)持下去時(shí)，丁雷坦然答道：“科研人員心里只有國(guó)家任務(wù)，是聽(tīng)不見(jiàn)其他‘噪聲’的。不管有沒(méi)有條件、有沒(méi)有支持，任務(wù)都要完成，這是我們義不容辭的責(zé)任?！?/p>

“風(fēng)云四號(hào)”干涉式大氣垂直探測(cè)儀典型溫度通道加密觀測(cè)。上海技物所供圖

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-08-16?第4版?專題）