17年圓夢！他們讓我國首顆鹽度星精準“嘗咸淡”

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人人都知道海水是咸的，那么地球不同位置的海水會一樣咸嗎？要回答這個問題，最簡單的方式就是用遙感衛(wèi)星去“看”。然而，這件事說起來簡單，卻困擾了科技界很多年。

11月14日，我國首顆專門探測海水鹽度的衛(wèi)星成功發(fā)射升空。當天凌晨4點，作為海洋鹽度探測衛(wèi)星（以下簡稱鹽度星）主被動微波探測儀的負責人，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）研究員劉浩攜團隊早早抵達了發(fā)射現場。

現場目睹火箭升空后，劉浩迅速回到技術區(qū)，盯著電腦屏幕顯示的遙測數據。數據顯示，主被動微波探測儀的反射面天線在入軌后不久逐步展開到位。他長舒一口氣：“成了！”

劉浩帶領團隊自主研制17年的新型載荷，終于由想法變成了現實。

海洋鹽度探測衛(wèi)星主被動微波探測儀團隊。空間中心供圖

“將來我們國家

可能需要這項技術”

海洋鹽度的高低會影響海水密度，進而驅動大洋環(huán)流。同時，它能顯示全球氣候變化及水循環(huán)變化，是“天然的雨量計”。正因如此，探測海洋鹽度一直是國際科學界的期待。

要想知道全球海洋鹽度的時空分布情況，最便捷的方式是用遙感衛(wèi)星。而遙感衛(wèi)星的“眼睛”，就是能獲取海面微波輻射亮溫數據的微波輻射計。

測量海洋鹽度的衛(wèi)星對微波輻射計的要求極高。“舌頭都嘗不出來的細微差別，衛(wèi)星卻要通過微波輻射計從天上辨別出來。假設衛(wèi)星探測鹽度的精度達到0.1個實用鹽度標準（psu），就相當于微波輻射計能分辨1000克海水中含有35克還是34.9克鹽。”劉浩說。

不僅如此，微波輻射計的觀測還面臨著風浪、溫度、地面微波信號等干擾。 正因為難度大，從全世界范圍看，海洋鹽度的遙感測量技術，幾乎是海洋動力遙感測量中最后一個被解決的技術難題。“大家都是先攻克海洋溫度、海面風場、海面高度等遙感測量技術，最后再考慮怎么解決鹽度的遙感探測問題。”劉浩說。

2006年，在歐洲空間局訪學的劉浩深度了解了該局正在研制的土壤水分和海洋鹽度衛(wèi)星（SMOS）。彼時，SMOS團隊正在攻關對鹽度輻射敏感度最高的L波段輻射計。與此同時，美國也開啟了L波段輻射計相關預研工作。

那一刻，劉浩意識到“將來我們國家可能需要這項技術，我們得往前走一步”。

2007年，劉浩回到空間中心，立即向中國科學院提出項目申請。在中國科學院的支持下，他們以40萬元經費為基礎，開始了“L波段干涉式綜合孔徑輻射計”關鍵技術研究，目標是研制出能穩(wěn)定、高精度探測海洋鹽度變化的輻射計。

主動揭榜走出新路線

劉浩對國家需求的預判是對的。

2011年，國家相關部委開始組織海洋鹽度探測載荷的預先研究，發(fā)布了“主被動聯合探測鹽度計預先研究”項目申報指南（以下簡稱指南）。此時，歐洲于2009年發(fā)射的SMOS衛(wèi)星未達到預期的0.1psu探測精度，美國在2011年發(fā)射的寶瓶座（Aquarius）衛(wèi)星也存在空間分辨率及視場幅寬偏低的問題。

有了此前的技術積累，劉浩團隊主動揭榜。在項目申請書中，他們詳細分析了歐美衛(wèi)星的優(yōu)缺點，提出了一種綜合雙方優(yōu)點又與二者不同的新技術路線。

SMOS衛(wèi)星任務采用的是二維綜合孔徑輻射計技術，用諸多小型接收天線替代傳統大孔徑天線；Aquarius衛(wèi)星則采用了 相對保守的大孔徑天線技術體系，同時加入了同頻段的主動遙感手段。

劉浩團隊設計的輻射計將綜合孔徑技術和大孔徑天線相結合，在利用綜合孔徑技術實現高分辨率、寬視場成像的同時，利用大孔徑反射面保證了輻射計具有分辨鹽度變化的足夠靈敏度，同時兼容多頻主被動的探測。

“這是一種全新的解題思路，我們相信能實現指南提出的目標。”劉浩說。

2015年，按照設計思路，劉浩團隊順利突破關鍵技術，達到指南提出的技術指標，做出了原理樣機。

從外觀看，與SMOS衛(wèi)星探測器的“Y”字形 、Aquarius衛(wèi)星探測器的“大圓盤”不同，鹽度星的主被動微波探測儀就像推土機上的“大鏟子”。

被動接收微波輻射信號的饋源系統呈“一”字形排在“大鏟子”斜下方，其中不僅有對鹽度輻射靈敏的L波段微波輻射計，還有對海表溫度等輻射敏感的C、K波段微波輻射計，3種頻段的接收器組成了綜合孔徑輻射計。不僅如此，與輻射計饋源平行排布的還有主動發(fā)射微波信號、用于海面粗糙度校正的L波段數字波束形成散射計饋源，由此實現主被動探測技術的結合。

當原理樣機實實在在出現在空間中心懷柔園區(qū)的大院里時，國家也有了關于鹽度星的新規(guī)劃。

2015年，我國《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中提到，要“創(chuàng)新觀測體制和技術，填補高軌微波觀測、激光測量、重力測量、干涉測量、海洋鹽度探測、高精度大氣成分探測等技術空白”，并將“海洋鹽度探測”列為“遙感衛(wèi)星科研任務”之一。

看到規(guī)劃的那一刻，劉浩知道，儲備了這么多年的技術，終于有了一顯身手的機會。

“我們的載荷正飛著呢”

2020年，鹽度星正式批復立項。劉浩團隊的技術儲備得到了評審專家的認可。正是從那時開始，劉浩切身體會到航天任務與科研探索的本質不同。

科研探索允許不確定性，但航天任務不行。“研制出原理樣機后，我們發(fā)現，作為一個idea（想法），它是可行的。但是，當它進入工程型號階段、要做成真實載荷時，我們必須保證所有細節(jié)都是確定的。”劉浩說。

對于劉浩團隊來說，“全新的載荷”意味著“巨大的工作量”。他們和衛(wèi)星工程團隊一起，把系統層面、分系統層面、單機層面等所有環(huán)節(jié)全部“掰碎”，一步步給出技術上準確無誤的實驗論據。

“每個技術環(huán)節(jié)不是我認為‘可以’就可以，必須用一系列數據和實驗驗證。”劉浩說。

僅輻射計的標定工作，就曾讓研究人員絞盡腦汁。他們設計的主被動微波探測儀，系統復雜度史無前例的“高”——輻射計有3個頻段、56個接收通道，散射計有10個收發(fā)通道。相比而言，SMOS衛(wèi)星只有單個頻段、69個接收通道，Aquarius衛(wèi)星只有單個頻段、3個輻射計接收通道和3個散射計收發(fā)通道。

“載荷在軌運行要想實現高穩(wěn)定觀測，就要每10毫秒對接收機做一次定標。”劉浩說，輻射計上設計了內部定標源，接收機需要在星上開關的控制下不停切換狀態(tài)，一會兒要接受定標源的標定，一會兒又要接收海洋鹽度輻射，而且接收輻射信號時不能受到內部定標源的信號干擾。

為了驗證輻射計內部定標源和定標系統的可靠性與穩(wěn)定性，團隊設計了專門用來檢驗定標系統的熱真空定標試驗系統。他們將除了反射面天線外的整個載荷和兩個亮度溫度不同的定標源放進了大型真空罐，并且為定標源加上滑動軌道。這樣，定標源就可以滑動著為每個輻射計饋源通道進行定標。

整個載荷在真空罐模擬的真實在軌環(huán)境下穩(wěn)定運行了半個月。團隊24小時連軸轉，終于趕在計劃節(jié)點前完成了多項定標測試，獲取了載荷發(fā)射在軌后進行數據處理所需要的定標參數。

11月14日凌晨，當劉浩目送鹽度星升空時，工程研制過程中的一幕幕在腦海中閃現。當天，他給在歐洲空間局工作的好友、SMOS衛(wèi)星載荷總工程師曼努埃爾·馬丁內拉發(fā)了一封郵件：“中國鹽度星發(fā)射成功了！”

馬丁內拉在回復給劉浩的郵件中評價：“據我所知，主被動微波探測儀將是全球第一個在軌運行的多頻段干涉式綜合孔徑微波輻射計。我為你們感到驕傲！”

11月17日，主被動微波探測儀載荷正式開機。18日下傳的數據顯示，載荷工作穩(wěn)定，原始數據質量良好。

如今，劉浩團隊正在抓緊時間進行載荷在軌調試，預計2025年初夏向用戶交付。每天，從空間中心懷柔園區(qū)回中關村園區(qū)的路上，劉浩時不時會透過通勤班車的車窗望向天空。他有了一種別樣的感受：“天上，我們的載荷正飛著呢！”

《中國科學報》 (2024-12-09 第1版 要聞)

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