出品：中國科普博覽 SELF格致論道講壇
沈霞
風云四號氣象衛(wèi)星掃描成像輻射計副主任設計師
中科院上海技術物理研究所副研究員
導語：我國氣象衛(wèi)星在國際上到底處于什么樣的水平？經(jīng)過15年的艱辛研制，風云四號能夠在36000公里遠的地球靜止軌道上，對地球每15min“照一次相”，風四輻射計的光學系統(tǒng)能夠適應30度以上的溫差，掃描鏡運動精度優(yōu)于1角秒，與美國GOSE-16裝載的ABI，歐洲MTG裝載的FCI，三足鼎立。
沈霞：從36000公里處凝望地球
以下是沈霞在SELF講壇上的演講實錄：
大家好我是沈霞，來自中科院上海技術物理研究所，今天我特地穿了一身裙子，是想要刷新一下大家對科研女性的印象。
看到風云兩個字，我想問一下在座的各位，大家會想到什么？我問過很多人這個問題，有人告訴我風起云涌，也有人跟我說風云人物，當然也有人回答的是《風云雄霸天下》。
現(xiàn)在我給大家展示的這個就是真正的地球風云，這是去年12月11日（發(fā)射的）風云四號氣象衛(wèi)星上面掃描成像輻射計拍攝的地球24小時的云圖，在赤道附近大家有沒有注意到有一塊亮斑在移動，那是什么，那是太陽在海洋上面的倒影，是不是看起來很神奇。
在我們眼里看來只是普通的一張圖，但是在科學家眼里它實際上是一組龐大的數(shù)據(jù)，要想看懂那張圖，我們就要先從這些光說起。
大自然其實對我們?nèi)祟惒]有特別的優(yōu)待，我們?nèi)搜勰芸吹降目梢姽庵皇瞧渲械囊恍〔糠郑€有很多的光是我們看不見的，那些我們看不見的光，我們是可以用儀器把它拍出來的。
大家比較了解的比如說X光，都去醫(yī)院體檢過吧，拍過胸片對不對，我們來看看X光還能干嘛呢？英國的一個藝術家用它來拍了一個藝術作品。
當然還有一種光大家可能聽說得比較多，但是接觸得不多，那就是紅外線。關于紅外線我給大家展示一個小實驗，有一次我去我同事的辦公室，她正在擺弄一個紅外熱像儀，這個是她放在辦公室的一個文件袋，我的同事把她的手在這個文件袋上，按了一小會兒然后把手拿走，她用她的手機和紅外熱像儀分別拍了兩張照片。
現(xiàn)在我想問一下大家有人能看見她的手印按在哪里了嗎？沒有對不對。好我們看這張照片，紅外熱像儀的這張圖片上很清晰地拍出了她按了手印的位置，這是為什么呢？
因為紅外線是對溫度敏感的波段，她的手按在上面的時候，就對這個文件袋的局部進行了加熱，讓她手印的這個地方溫度比周圍高，所以熱象儀就把它拍出來了。
既然紅外線對溫度敏感，那我們能不能用熱像儀，我們能不能用紅外線的這個原理對物體的溫度進行測量呢？答案是肯定的。
我們看這15張圖，從第2張開始就是我們風云四號輻射計拍攝的一些不同波段的圖，大家可以這么來理解：每一張圖就代表了一種單色光，但實際上其中的可見光只有前面的兩張，后面就是近紅外還有紅外的圖片，每一張圖片上面的一個像素點都可以推導出一個具體的溫度值。
我們可以想象一下拿著一個超級的溫度計，在距離地球36000公里那么高的地方，對地面的水汽、樹、植被還有地表進行溫度測量，測量的精度能到多少呢？能精確到一度哦，是不是很厲害。
那么這些單色圖我們（用）來干什么呢，可以用來做合成，比如說剛才一開始給大家展示的那個非常炫的地球動圖就是由前面三個波段的圖片合成的。我們?nèi)绻玫谝粡埖诙埡偷谒膹埡铣蓵吹绞裁茨兀?/p>
看，這是一張冰云圖，大家有沒有注意到藍色的部分就是冰云，它的溫度是低于零度的，而白色的就是我們普通的常溫云。能夠把冰云和常溫云區(qū)分開來對天氣預報是有很大的作用的。
我們再來看一下對孟加拉灣北部的一個霧霾監(jiān)測圖，在這張圖中灰色的就是霧霾，白色的就是云還有雪。
我們說了這么多，那么我們風云四號氣象衛(wèi)星在國際上到底處在一個什么樣的水平呢？我給大家介紹一下風四和它的國際上的小伙伴們。
首先要說一說的就是美國的GOES-16，它上面裝載的儀器叫ABI，就相當于我們風云四號上面的輻射計。這里再給大家講一下輻射計是什么，很多人肯定不明白這么一個很專業(yè)的詞，你可以把它想象成拍地球的照相機，它和衛(wèi)星的關系是什么呢，我們這個照相機就是裝在衛(wèi)星平臺上的。
但是最終我們要評價風云四號它的水平到底怎么樣呢？主要還是要看我們衛(wèi)星上裝載的這些儀器的性能，我們剛才說了美國的GOES-16上面裝載的是ABI，歐洲的MTG上面裝載的是FCI，還有我們中國風四上面裝載了輻射計。
這三個系列美歐中可以說是三足鼎立，我們?nèi)绻麊螁螐妮椛溆嫷慕嵌葋砜?，它的性能指標比美國的ABI和歐洲的FCI要略差了那么一點，但是我們風四上面還裝載了另外一臺重量級的儀器，就是大氣垂直探測儀。
目前大氣垂直探測儀是世界上（在地球靜止軌道）第一個首發(fā)的（大氣垂直探測）儀器，也就是說美國人的上面沒有，歐洲人怎么辦呢，歐洲人比較奢侈，他們覺得輻射計和探測儀這兩大載荷裝在同一個衛(wèi)星上會相互干擾，于是分了兩個衛(wèi)星裝，一個衛(wèi)星發(fā)輻射計另外一個衛(wèi)星再發(fā)探測儀，但是我們風四上面同時裝載了這兩臺。
我們再來看看發(fā)射時間吧，在去年的11月19日美國人的GOES-16首發(fā)，而在去年的12月11日我國的風云四號首發(fā)，為了趕上這個時間節(jié)點我們研制項目組是花了很多心思的。
說到這里還要再補充一個，就是歐洲人的MTG他們計劃要到2019年才能發(fā)上去，說到這里有人要問了，你怎么不提提日本呢，日本有一個葵花9它的性能也不差呀？我為什么不提它，是因為它上面的核心儀器是美國人賣給它們的。
講了這么多風云衛(wèi)星，大家對我國的風云衛(wèi)星有了解的嗎？看來大家都不怎么了解，風云衛(wèi)星是氣象衛(wèi)星，氣象衛(wèi)星對防災減災有非常重要的作用，它的投入產(chǎn)出比在國際上公認的是1:40，所以我國在1977年就開始發(fā)展我國的風云衛(wèi)星。
下面先看一下這個軌道，不做天文學的人可能不是很理解，第一個我們看一看小圈里面這個軌道叫太陽同步軌道，這個軌道的高度在500到1000公里左右。它的特點是什么呢，它能夠看南極和北極看得比較清楚；那么它缺點是什么呢，就是它對同一個地點的觀測一天最多只能看兩次。
另外一個軌道就是地球靜止軌道，它的軌道高度有36000公里那么遠。它的特點是什么呢，如果在這個軌道上的衛(wèi)星足夠大，大到我們在地面上能夠看到它，就像一顆星星一樣。
那么你不用去拿星圖表整天在找這個星星在哪里，它會永遠定在那個位置，盯著你看它在天上是不變的，那么就利用它的這個特點在這個軌道上面布置衛(wèi)星，它可以對地球進行24小時的連續(xù)成像，這也是為什么我能給大家展示剛才那張地球圖，就是因為它是在地球靜止軌道拍攝的。
那么作為一個氣象應用的話，國家是要在這兩個軌道同時布置衛(wèi)星的，它們是相互互補的，所以我國就在太陽同步軌道布置了風云一號，它的第二代產(chǎn)品是風云三號；
我們在地球靜止軌道布置了風云二號，它的下一代產(chǎn)品就是我們目前剛剛首發(fā)的風云四號，我們風云四號的研制花了15年的時間，為什么要花這么長的時間呢？我現(xiàn)在就給大家分享一下風四輻射計研究的小故事。
2001年的時候我們所里的王淦泉老師帶著一個光學、一個機械設計師開始預研，當時瞄準的目標是什么呢，是美國GOES-8在1994年發(fā)射的衛(wèi)星，GOES-8當時做五個通道，也就是說它一次能拍五張圖，而我們王老師瞄準的這個目標是要做十個通道一次拍十張圖，在當時看來是蠻先進的。
2004年底的時候，他唯一的機械設計師跳槽了，這個時候我就有幸的加入了這個團隊。2007年的時候，我們的原理樣機研制成功了，大家都很高興，覺得再過個一兩年我們這個十通道的產(chǎn)品就可以發(fā)上天了，而且在當時的國際上還是能占到一個領先的水平的。
但是這個時候美國人推出了一個對我們來說爆炸性的新聞，也就是說他們開始打造他們的GOES-R系列。
GOES-R是什么，就是剛剛提到GOES-16，美國人把他們沒有發(fā)射的衛(wèi)星叫做R系列，就是有用字母ABCD來表示，發(fā)射完之后他們就用1234來表示，他們準備在GOES-R上面裝載的最新的儀器叫ABI，ABI跟原來的GOES-8（比）前進了不是一點點，它要拍16個通道的圖。
這個時候我們就面臨選擇了，如果我們把已經(jīng)研制成功的十通道的產(chǎn)品發(fā)射上去，我們會在GOES-R上天之前的這一小段時間里面保持領先，但是等GOES-R一旦上天以后，我們就又會落后他們一大截，另外一個選擇就是已經(jīng)研制的這臺產(chǎn)品我們推翻重來，我們?nèi)パ兄聘鶪OES-R同樣技術水平的產(chǎn)品，經(jīng)過短暫的猶豫之后項目組決定推翻重來，所以到2017年的今天我們才能看到剛才那個14個通道的美麗的圖像。
說了這么多大家還是要問，做一臺載荷而已，一臺拍地球的照相機而已，為什么要做這么長的時間，它有那么難嗎，我們手機的更新?lián)Q代那么快對不對，我下面就舉兩個例子來跟大家講一講這個技術難在哪里。
我們先看看風云二號的衛(wèi)星，它采用了自旋穩(wěn)定式，剛剛我們說了地球靜止軌道它有一個特點，就是跟我們地球是同步的，在這個軌道上我們對溫度的感覺就跟人類對溫度的感覺是一樣的。
它有一年四季，而且它也有早晚的溫差變化，失去了大氣層的保護這個溫度變化會更為劇烈。劇烈到什么程度呢，我們產(chǎn)品上面的一個測溫點顯示它最低溫在-130度，最高溫的時候150度，這么一個溫度波動是在一天內(nèi)交替完成的，也就是說它每天要循環(huán)一個來回。
風云二號的自旋穩(wěn)定方式，因為它是旋轉著看地球的，它（溫度）自己就穩(wěn)定掉了，這就是我們要解決的第一個問題，熱的問題。美國人他們怎么解決這個問題呢，他們?yōu)閮x器打造了一個空調房，利用他們高超的溫控技術把這個儀器控制在近乎恒溫的一個溫度狀況。
大家都知道照相機是很嬌嫩的，焦距稍微沒有調準一點那么就離焦了，拍出來照片就模糊了。而我們的物體我們的各種材料都是有熱脹冷縮的，在這么大的一個溫度范圍之內(nèi)熱脹冷縮之后早就離焦，不知道離到哪里去了。
但是我們國家當時的溫控技術還做不到這一點，因為我國的基礎科學、基礎技術還有基礎工業(yè)，有些硬件生產(chǎn)不出來，這個時候我們只能另辟蹊徑了，想什么辦法呢，就是讓我們的照相機能夠適應更大范圍的溫差，我們把我們的光學系統(tǒng)做到能夠適應30度的溫差，這樣子我們就降低了對溫控技術的要求。
要解決這個問題我們?nèi)鄙倭艘环N材料，有一次在一次學術報告會中，我們無意中聽到有一個大學的老師，他們研制出一種新型的材料，這種新型的材料的各種特性正好是我要建這個能夠適應大溫差的光學系統(tǒng)需要的，所以我們就去找他了，希望能把這種材料給我們用上。
但是第一次見面之后我們就很失望，為什么呢，這個材料的性能雖然好，但是它的加工工藝還停留在加工圓盤圓筒這么一個簡單的東西上面，而我們要制造的是什么呢，是結構非常復雜，精度達到0.01毫米的這么一個產(chǎn)品。
還好我們雙方都沒有放棄，我們幫助他們改進了各種工藝，第一個產(chǎn)品我們用粘接的方法，經(jīng)過了七八年時間的努力，最后我們出來的產(chǎn)品已經(jīng)是一體化成型了。
我想說的是什么呢，就是說我們做技術就好像搭積木一樣，這些積木就是國家基礎，有些積木我們可以直接拿來用，有些積木沒有我們怎么辦呢，我們就創(chuàng)造出這個積木，這個就是我們在這個行業(yè)里面往前推進了一步的積木，那么后面的人如果想要設計的時候，利用這種材料的話，他們就不需要再摸索了，完全可以直接利用我們的加工工藝。
拍照片另外一個關鍵的就是要穩(wěn)，我們在36000公里這么遠的地方拍照片，穩(wěn)定是第一位的，真正的差之毫厘謬以千里。這個穩(wěn)定度到了什么程度呢，舉個例子如果我相機偏了一個角分的話，地球上就偏了十公里。我們這個時候就需要針對這個我們需要（創(chuàng)新）一套精密的掃描控制技術（方案），這套掃描控制方案出來之后，需要一個叫高精度角度傳感器（的產(chǎn)品）。
這么一個（達到設計要求）精密產(chǎn)品也是國內(nèi)沒有的，我們就輾轉調研到常州有位老先生，他有可能掌握這種技術。
這位老先生比較傳奇，他曾經(jīng)是一家大型的機床生產(chǎn)廠家的一個研發(fā)人員，當時他申請國家課題做了這方面的研究，研制出了世界上一流水平的角度傳感器，但是可惜的是有一天他發(fā)現(xiàn)他研制的傳感器被廠里面誤當成廢品給賣出去了，小孩子們拿著這個東西在地上滾著玩，他就很傷心了，退休以后他就帶著自己的侄子女婿，一個小型的家族企業(yè)繼續(xù)他的研究。
但是大家也知道對于一個小企業(yè)來說，想要做科研無疑是天方夜譚，資金從哪里來？設備從哪里來？
正好我們在這個時候找到了他，當時陳先生已經(jīng)年近70歲了，我們跟他們談合作他欣然答應。
我們給他們提供實驗設備，他就幫我們來研制這個高精度的傳感器，這個過程中我們一起解決了傳感器的真空適應性問題，還解決了其他的一系列問題，那么到今天他研制的這個角度傳感器我已經(jīng)在四臺載荷上面同時上天應用了。
說到這里我想說的是什么大家應該是明白了，我們的風四輻射計真正的核心技術都是掌握在我們自己手里，我們的風云四號打的是純正的中國牌，謝謝大家。
本文經(jīng)授權轉載自SELF格致論道講壇
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