打造大氣“超級CT”

干涉式大氣垂直探測儀核心——低溫紅外干涉儀。

“風云四號”B星干涉式大氣垂直探測儀出廠時合影。

紅外干涉儀技術研發平臺研制團隊。

“風云四號”干涉式大氣垂直探測儀典型溫度通道加密觀測。

■本報記者 胡珉琦

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

“風云四號”堪稱科技領域的杰作，因為它搭載了多項世界級的先進載荷，其中運行在靜止軌道的全球首臺干涉式大氣垂直探測儀，如同一顆璀璨的“明珠”。

這一先進的探測器在紅外波段擁有1600多條探測通道，猶如一臺“超級CT”，使得每一層的溫度、濕度等數值都得以精準測量，為深入研究大氣三維對流、更精細預測災害性天氣提供了可能。

干涉式大氣垂直探測儀的研制團隊來自中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）。自1970年我國謀劃氣象衛星事業之初，上海技物所便積極投身于氣象衛星探測儀器的研發之中，半個多世紀以來始終堅守陣地，未曾缺席。

然而，這支擅長空間紅外遙感的“國家隊”也曾前路迷茫過……

1 跨代“風云”

1969年初，一場罕見的雨雪冰凍災害席卷半個中國，通信電路一度中斷。面對只能依靠國外氣象衛星資料的狀況，周恩來總理堅定地表示：“要搞我們自己的氣象衛星。”

從無到有，從弱到強。迄今，我國已成功發射21顆風云系列氣象衛星。

大氣結構本身是一個復雜而多維的存在，它的真實結構和變化往往需要三維觀測才能全面揭示。

但人們有所不知的是，2016年中國成功發射“風云四號”之前，全球范圍內的氣象衛星搭載的光學遙感儀器捕獲的大氣成像圖普遍為二維視角。

“如果能實現對大氣結構的精細化探測，特別是感知溫濕度在垂直方向上的精確分布和動態變化，對于環境和自然災害種類繁多、發生頻率較高的中國來說，具有重要意義。”上海技物所所長、干涉式大氣垂直探測儀主任設計師丁雷表示。

早在20世紀80年代末，美國就已經著手布局靜止軌道氣象衛星的創新型儀器研發，其中一臺關鍵核心設備便是探測大氣三維結構的高光譜紅外干涉儀。

在這一領域，美國威斯康星大學空間科學和工程中心、美國國家航空航天局（NASA）、美國麻省理工學院林肯實驗室以及密歇根大學空間物理研究實驗室均投入了大量精力進行研究，并成功進行了樣機試驗。

美國地球靜止軌道氣象衛星（GOES）曾雄心勃勃地規劃，在21世紀前10年將這一高科技的紅外干涉儀送入太空。

然而，歷史發展的軌跡總是出人意料。

1995年，在中國地球靜止軌道第二代氣象衛星研討會上，中國科學院院士、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儀作為“風云四號”的主載荷之一。

匡定波曾說：“搞科研的人，一定要思維敏銳、堅持開拓，不能自滿保守，要善于博采眾家之長。我們的科研工作只有不斷更新目標，才能追趕世界水平。”

正是這一極具遠見的建議，為中國氣象衛星遙感技術的跨代發展指明了方向。

2001年，上海技物所肩負起干涉式大氣垂直探測儀預研工作的重任，我國在這一領域的探索正式起步。歷經十五載，世界首臺靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀成功上星。

與此同時，曾一度在氣象衛星技術領域領先的美國和歐洲，由于相關計劃屢遭延誤，進展緩慢。

這場“后來者居上”的技術賽跑，中國究竟是如何實現的？

2 啃下“硬骨頭”

2001年10月，上海技物所的一間會議室里正在進行一場重要的面試，來自香港科技大學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、電、熱四大專業的學術背景，十分難得。

匡定波當即表示：“我看華建文就適合做干涉儀。”

干涉式大氣垂直探測儀的關鍵技術攻關極其復雜，涉及的學科面很廣，而華建文的知識儲備恰好都能用得上。

干涉儀作為干涉式大氣垂直探測儀的精髓，其運作基于傅里葉變換光譜探測原理。事實上，這項技術早在20世紀70年代后期便被引入國內，但由于其十分復雜，始終未能取得突破性進展。

華建文則勇敢地接過這塊難啃的“硬骨頭”，這成為他職業生涯最重要的一次轉折。

干涉儀的工作原理，簡單來說就是通過光學系統對光信號進行干涉，干涉圖像經過傅里葉變換形成光譜圖，再經過氣象學大氣遙感反演，得到大氣溫度、濕度的三維結構。

干涉儀的主要功能模塊非常復雜，包括紅外干涉光路、光程差測量光路、動鏡驅動機構、精密光校機構、穩頻激光器、氣鎖系統、控制電子學和機械支撐結構等。其中，動鏡的作用尤為關鍵，它如同干涉儀的心臟，一旦出現問題，整個系統就會失去效能。

在不斷摸索中，華建文總結出研制干涉儀需要攻克的兩大難關。

第一大難關是對運動機構精度的極致要求。一塊平面鏡在10mm范圍運動時，傾斜量要始終小于1~2角秒，這在傅里葉光譜領域是技術“制高點”。“當時的加工廠無法滿足零件設計要求，測量運動角度的儀器精度無法達到要求的0.1角秒，甚至連現成的修模工具都沒有。”于是，華建文只好帶著團隊親自設計制作。

“對于亞微米量級的精度控制，所有關鍵器件都需要純手工一點一點打磨。”在華建文眼里，干涉儀無異于一件極致的工藝品。

干涉儀對靈敏度的要求很苛刻，即使放在地下室內高精度的光學平臺上，都可以看到干涉信號一直在飄動。于是，細微環境擾動較少的深夜，就成了華建文及其團隊開展精確測量的最佳工作時段。

第二大難關是精密的干涉儀很難承受衛星發射振動沖擊的試驗。要想滿足試驗要求，就必須為動鏡驅動機構增加鎖定裝置。由于沒有現成可用的鎖定裝置，團隊經過長時間摸索才攻克了這一難題。

除此之外，國際上，靜止軌道干涉式探測儀一般都被設計為獨立搭載，以免受同衛星平臺其他光學載荷工作的影響。團隊成員苦想冥思后提出一個設想——從10秒一幅干涉圖改為1秒一幅，再將數據平均，實現環境干擾最小化，從而將兩臺氣象用光學遙感儀器放置在同一衛星平臺上。

然而，科研需要實踐證明，理論設想無法一步實現。華建文帶領團隊長年累月在地下實驗室工作，不時質問自己：答案就在這里，為什么信號出不來？

通過反復測算，他們發現了光校裝配有偏差。團隊花費了數年心血才解決了這個難題，將儀器光校偏差控制在1角秒內。

3 后來居上

2006年底，國內首臺干涉式大氣垂直探測儀原理樣機研制成功。然而，華建文的心絲毫沒有放下，因為分束器的自主研發技術遲遲未能突破。

分束器是干涉儀的核心部件之一，也是西方國家對我國禁運的一項“卡脖子”技術，其中的關鍵技術難點在于光學薄膜。

鍍膜材料和基底吸收對均衡分光的影響、應力對分束器面型的影響、雙區域集成鍍膜的工藝難題，2006年，當這一系列問題拋向于天燕時，她還只是一名在讀博士生。她需要一邊完成其他科研工作，一邊探索這個作為博士研究生課題的紅外寬光譜分束器技術問題。

由于分束器基片的加工耗時非常久，造價極為昂貴，一旦失敗，金錢損失姑且不提，再加工會嚴重耽誤任務進度。

“在分束器攻關過程中，最崩潰的是千辛萬苦做出來的、自認為考慮周全的仿真理論，經實驗驗證，結果卻嚴重偏離理論。這意味著在大量的仿真數據里有‘內鬼’，又要花費大量精力來尋找并消滅它。”

在于天燕的記憶里，這種周而復始的工作在整個攻關過程中是家常便飯，非常考驗耐力。“有時候幾個月沒有一點進展，意味著可能會影響衛星項目的整體進程，‘壓力山大’。”

然而，干涉式大氣垂直探測儀項目團隊乃至整個研究所鼓勵、包容年輕人的文化，常常能在他們陷入困境時給予最大的支持。目前已是上海技物所研究員的于天燕，時常感念這種穩定人心的力量。

2008年，隨著干涉式大氣垂直探測儀的核心技術攻關邁過一道又一道坎，預研正式驗收。

可當一幅教科書般的二氧化碳光譜圖出現在專家面前時，“風云四號”干涉式大氣垂直探測儀的上星計劃又起波瀾。

2006年，美國由于技術和經費原因擱置了研發靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀的上星計劃；歐洲則決定采取兩臺載荷各研一顆衛星的方式，避免同時工作對衛星平臺產生擾動。

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

在工程立項論證的過程中，支持干涉式大氣垂直探測儀“暫緩上天”的聲音不絕于耳。

彼時，匡定波和中國工程院院士、國家衛星氣象中心主任許健民堅持認為，成像儀和探測儀應該一起上星。

“他們認為，要求這種創新型儀器必須萬無一失才能上天的想法不可取。”丁雷說，干涉式大氣垂直探測儀只有真正上星接受實踐的檢驗，才能發現問題、解決問題，從而推動技術的進步。

“當別人放棄時，我們堅持，做成功了就領先世界。”華建文質樸地表達了所有成員的心聲。

多年后，華建文在和美國同行交流此事時，對方坦言，由于項目中途下馬，導致相關技術研究進展受阻，更可惜的是，這讓組建多年的研究隊伍難以維系。

2010年，中國的干涉式大氣垂直探測儀終于拿到“通行證”，在國家國防科技工業局的支持下正式進入工程階段。

4 每個人肩上都有一座“泰山”

“把實驗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，還要經受完全不同的力學沖擊和溫度考驗。

在實驗室進行技術攻關時，光、機、電、熱等各個專業領域都會緊密把握各自的技術指標，不容有絲毫妥協。然而，當這些專業領域需要整合成一個系統為衛星服務時，挑戰隨之而來。

“在整合過程中，我們需要不斷調整、權衡和妥協，以確保各個部分能夠和諧協同工作，從而讓整個儀器整體效能發揮到最大。”上海技物所研究員、干涉式大氣垂直探測儀副主任設計師孫麗崴說。

為了確保干涉儀的穩定性，科研團隊從電子學、制冷機、結構等多個方面入手，為其提供全方位的“保駕護航”。他們內外兼修，多方結合，最終成功解決了這一工程難題，確保了干涉儀在復雜環境下穩定工作。

至此，干涉式大氣垂直探測儀的工程化還有最后一個關鍵環節——整機定標。所謂定標，就是對儀器精度進行測試使其符合標準，它好比測量儀器的一把尺，直接關系到用戶的使用效果。但靜止軌道的紅外干涉光譜儀定標系統非常復雜，團隊必須從零做起。

2010年，來到上海技物所僅一年的年輕人李利兵硬著頭皮接過了這個“接力棒”。他和團隊一起花了4年時間，為整個系統設計研發了14臺套測試設備。

“探測儀的各個技術部分環環相扣，尤其到了工程階段，每個環節都有相應的時間節點，完成了才能順利向下傳遞，因此，我們不僅要承擔各自的工作職責，更不能辜負他人的一片心。”李利兵感受到，雖然項目團隊是一個整體，但其實每個人肩上都有一座“泰山”。

時間來到2016年12月11日，干涉式大氣垂直探測儀團隊的很多成員到達“風云四號”A星的發射現場，目睹了它成功上星的全過程。

氣象衛星是離百姓生活最近的衛星。“風云四號”真正開始讓人們領教其實力的是，它讓臺風這一氣象災害再也無處遁形。

“天鴿”“苗柏”“南瑪都”“瑪莉亞”“安比”“云雀”“摩羯”……夏日臺風一個接一個，而“風云四號”A星在3.6萬公里高空的地球靜止軌道上，實現大范圍高頻次大氣垂直探測，最快可以每15分鐘給臺風做一次“立體掃描”，追蹤它們的一舉一動，所獲取的數據應用于全球/區域通用數值天氣預報系統（GRAPES），開啟交互式“觀測-預報”這一全新模式。

不只臺風，當嚴重沙塵暴、特大暴雨、暴雪等災害性天氣登場時，“風云四號”A星也都經受住了考驗。

2023年12月，“風云四號”A星在軌穩定運行七周年，此后正式開啟了它的超期服役之旅。

有人用“功勛卓著”來形容“風云四號”A星。而這顆衛星成功的背后，干涉式大氣垂直探測儀功不可沒。

在被問及團隊如何在前途迷茫、廣受爭議的情境中堅持下去時，丁雷坦然答道：“科研人員心里只有國家任務，是聽不見其他‘噪聲’的。不管有沒有條件、有沒有支持，任務都要完成，這是我們義不容辭的責任。”

上海技物所供圖