中國(guó)科學(xué)報(bào)：“中國(guó)數(shù)據(jù)”為全球大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)作貢獻(xiàn)
——記星載大氣成分遙感探測(cè)載荷研發(fā)團(tuán)隊(duì)
時(shí)間：2024-06-04 作者：中國(guó)科學(xué)報(bào) 王敏
在安徽合肥西郊風(fēng)景秀麗的科學(xué)島上，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱安光所）有一支隊(duì)伍，數(shù)十年來(lái)，潛心研制星載大氣成分遙感探測(cè)載荷，有力填補(bǔ)了我國(guó)在大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)方面的空白與不足，保障了“中國(guó)數(shù)據(jù)”的自主可控和真實(shí)可靠，為環(huán)境監(jiān)管治理和氣象氣候研究提供了有力手段，提升了我國(guó)在環(huán)境外交中的話語(yǔ)權(quán)。
“近期獲得中國(guó)科學(xué)院科苑名匠團(tuán)隊(duì)的榮譽(yù)稱號(hào)，是對(duì)我們工作非常大的激勵(lì)和鼓舞?！眻F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、安光所副所長(zhǎng)熊偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
首獲第一手“中國(guó)數(shù)據(jù)”
衛(wèi)星載荷，就是衛(wèi)星上裝載的實(shí)現(xiàn)特定衛(wèi)星任務(wù)的儀器或設(shè)備。它相當(dāng)于一臺(tái)高分辨率“太空相機(jī)”，可以給大氣“拍照”，獲取大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)。
“每一種氣體都有獨(dú)一無(wú)二的光譜信息，如同人的指紋。研究人員首先通過載荷獲取這種‘指紋信息’，分析出它是什么氣體，再根據(jù)光譜的深淺變化反演出氣體濃度變化，最終準(zhǔn)確評(píng)估氣體的狀態(tài)及其影響?！毙軅フf(shuō)。
大氣環(huán)境除了與人們的生活息息相關(guān)，還與國(guó)家的環(huán)境外交有很重要的關(guān)系。
熊偉介紹，很長(zhǎng)時(shí)間里，我國(guó)對(duì)污染氣體和溫室氣體的監(jiān)測(cè)，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠歐美及日本的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。因此，在很多環(huán)境污染問題上，中國(guó)顯得相對(duì)被動(dòng)，很難有發(fā)言權(quán)。
2018年5月9日，我國(guó)首顆高分辨率大氣環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星——高分五號(hào)01星成功發(fā)射。衛(wèi)星上搭載了6臺(tái)有效載荷，其中3臺(tái)由星載大氣成分遙感探測(cè)載荷團(tuán)隊(duì)研制。這3臺(tái)載荷使得我國(guó)從此可以定量獲得空氣質(zhì)量變化、污染氣體分布輸運(yùn)的數(shù)據(jù)。
隨后，針對(duì)我國(guó)對(duì)大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)的迫切需求，星載大氣成分遙感探測(cè)載荷團(tuán)隊(duì)多次承擔(dān)了高分專項(xiàng)、空間基礎(chǔ)設(shè)施等重大專項(xiàng)中高分五號(hào)02星、環(huán)境減災(zāi)二號(hào)衛(wèi)星以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等16顆衛(wèi)星、多類型20臺(tái)/套載荷的研發(fā)。
“這些載荷對(duì)中國(guó)獲取、分析全球大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，最終發(fā)布‘中國(guó)數(shù)據(jù)’起到了重要作用，為我國(guó)增強(qiáng)氣候變化監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急減災(zāi)等方面能力提供了重要支撐?！毙軅ケ硎尽?/p>
將載荷“搬上”衛(wèi)星
2011年12月，星載大氣成分遙感探測(cè)載荷團(tuán)隊(duì)首次承擔(dān)高分五號(hào)01星載荷研制項(xiàng)目，正式邁上航天載荷的研制征途。“研發(fā)的設(shè)備能跟隨衛(wèi)星上天，這是科技工作者的榮耀?！毙軅フf(shuō)。
在此之前，他們一直在研發(fā)地面探測(cè)設(shè)備，并取得了諸多成果。這為航天載荷研制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
衛(wèi)星載荷研制最大的難點(diǎn)在于提高精確度。“比如，目前二氧化碳濃度已達(dá)420ppm，而它一年的變化量只有1ppm，載荷首先要在萬(wàn)米高空上‘拍到’1ppm這么小的變化量，然后測(cè)算出它變化了多少，技術(shù)上的挑戰(zhàn)是非常大的?！毙軅フf(shuō)。
不同于一般項(xiàng)目，航天項(xiàng)目都設(shè)有嚴(yán)格的時(shí)間節(jié)點(diǎn)?！皶r(shí)間緊、任務(wù)重，是研制的另一個(gè)難點(diǎn)。所以加班加點(diǎn)是常有的事。”熊偉說(shuō)。
同時(shí)，把衛(wèi)星載荷這些“大家伙”從實(shí)驗(yàn)室“搬上”衛(wèi)星，還需要“過五關(guān)、斬六將”，在進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)前，還會(huì)進(jìn)行震動(dòng)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等整星試驗(yàn)。
最重要的是，航天項(xiàng)目不可返工，必須一次成功。為確保衛(wèi)星載荷“零差錯(cuò)”，他們?cè)谳d荷上裝載了一個(gè)定標(biāo)裝置，這相當(dāng)于一個(gè)秤的砝碼。
“我們把太陽(yáng)當(dāng)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源，通過比對(duì)載荷觀測(cè)太陽(yáng)的變化，計(jì)算出載荷的衰變，進(jìn)而修正載荷的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！毙軅フf(shuō)。
一點(diǎn)點(diǎn)探索，一點(diǎn)點(diǎn)解決……團(tuán)隊(duì)先后攻克了空間外差超光譜技術(shù)、痕量差分光譜探測(cè)技術(shù)、多角度偏振探測(cè)技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)，解決了在軌高精度定標(biāo)及定量化應(yīng)用等技術(shù)難題。
年輕的力量
2009年，在科學(xué)島上攻讀研究生的路美娜加入了星載大氣成分遙感探測(cè)載荷團(tuán)隊(duì)。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，她擔(dān)起讓載荷“成像”的任務(wù)。
“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是讓載荷給大氣‘拍照’，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集及傳輸?！甭访滥日f(shuō)，原理說(shuō)起來(lái)都清楚，但實(shí)施起來(lái)卻無(wú)從下手，只能靠自己不斷嘗試、調(diào)試。
路美娜已記不清自己花了多長(zhǎng)時(shí)間、經(jīng)歷了多少次失敗，但一直記得載荷傳出圖像那一刻的感受。“真的特別激動(dòng)。”
如今，路美娜對(duì)各種類型的載荷“成像”都輕車熟路。“做科研最重要的是獨(dú)立摸索，在過程中積累經(jīng)驗(yàn)，相信付出就會(huì)有收獲?！彼f(shuō)。
凌明椿也是從研究生階段進(jìn)入團(tuán)隊(duì)的?！袄蠋焸兒茏⒅貙?duì)我們的培養(yǎng)，敢于放手讓大家嘗試，我們也得以迅速成長(zhǎng)?！?/p>
2017年12月，星載大氣成分遙感探測(cè)載荷團(tuán)隊(duì)承擔(dān)高分五號(hào)02星4臺(tái)載荷的研制工作。與01星不同，這次項(xiàng)目管理單位提出了“一步正樣”的要求，即衛(wèi)星載荷研制階段直接從原先的原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、初樣、正樣調(diào)整為正樣。
這給團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。彼時(shí)，路美娜、凌明椿等年輕力量挑起了大梁，他們站在前輩的“肩膀”上，一年時(shí)間內(nèi)迅速研制出4臺(tái)衛(wèi)星載荷。
熊偉介紹，衛(wèi)星載荷研制涉及光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子學(xué)設(shè)計(jì)、軟硬件開發(fā)、數(shù)據(jù)反演等多學(xué)科內(nèi)容。目前，團(tuán)隊(duì)擁有固定成員30多名，平均年齡35歲。團(tuán)隊(duì)先后獲得安徽省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、航天貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等多個(gè)集體榮譽(yù)和個(gè)人獎(jiǎng)項(xiàng)。
在熊偉看來(lái)，與一群志同道合的同事朝著一個(gè)共同的目標(biāo)，把一件原本認(rèn)為不可能完成的事情做成了，滿足了國(guó)家的需求，這便是做科研最大的樂趣。
“未來(lái)，我們將進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)載荷技術(shù)，力爭(zhēng)為我國(guó)環(huán)境、氣象、資源、遙感等領(lǐng)域的科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)。” 熊偉表示，目前，他們正在研制兩臺(tái)裝載在“大氣二號(hào)”衛(wèi)星上的載荷。
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