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巡天觀(guān)雨有“雙睛”——我國(guó)首套星載Ku、Ka雙頻降水測(cè)量雷達(dá)誕生記

2023-08-29 10:11 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào) 次閱讀
 
巡天觀(guān)雨有“雙睛”——我國(guó)首套星載Ku、Ka雙頻降水測(cè)量雷達(dá)誕生記

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風(fēng)云三號(hào)G星在軌示意圖。圖片來(lái)源:中國(guó)航天科技集團(tuán)九院704所

聽(tīng)到火箭點(diǎn)火升空的轟響,正在測(cè)試廠(chǎng)房檢查數(shù)據(jù)的楊潤(rùn)峰百感交集。

  “就像養(yǎng)育多年的孩子,突然間真的離開(kāi)你了。”日前接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí),他這樣回憶雷達(dá)上天時(shí)的感覺(jué)。

  今年4月16日,我國(guó)首顆降水測(cè)量專(zhuān)用衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)G星發(fā)射升空,其主載荷是由中國(guó)航天科技集團(tuán)九院704所研制的我國(guó)首套星載Ku、Ka雙頻降水測(cè)量雷達(dá)。截至記者發(fā)稿時(shí),該雷達(dá)憑借犀利的“雙睛”,已成功探測(cè)到全球中低緯度地區(qū)降水的三維精細(xì)結(jié)構(gòu),捕捉到“瑪娃”“泰利”等臺(tái)風(fēng)降雨系統(tǒng)的三維立體結(jié)構(gòu)。在8月份的華北暴雨雨情中,該雷達(dá)精準(zhǔn)探測(cè)到降水三維精細(xì)結(jié)構(gòu)信息,為防災(zāi)減災(zāi)提供了寶貴的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。

  作為704所風(fēng)云三號(hào)G星降水測(cè)量雷達(dá)主任設(shè)計(jì)師,楊潤(rùn)峰和同事們?yōu)樵摦a(chǎn)品辛勤奮斗了17年。當(dāng)年意氣風(fēng)發(fā)的青年,如今已生出華發(fā)。

  “雙管齊下”造雷達(dá)

  我國(guó)處于北太平洋西部臺(tái)風(fēng)活動(dòng)帶,臺(tái)風(fēng)暴雨內(nèi)澇一直是部分地區(qū)面臨的主要自然災(zāi)害。

  獲取降水資料,過(guò)去主要借助雨量計(jì)、地基雷達(dá)等手段,但受設(shè)備數(shù)量和分布位置限制,大范圍高空間分辨率的地面降水信息很難得到。1997年,美日聯(lián)合發(fā)射裝載降水雷達(dá)的TRMM(熱帶降雨測(cè)量任務(wù))衛(wèi)星,開(kāi)創(chuàng)了星載雷達(dá)探測(cè)降水的先河,也為我國(guó)新一代低軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展提供了借鑒思路。

  21世紀(jì)初,704所科研人員開(kāi)始搜集材料,對(duì)星載降水雷達(dá)開(kāi)展前期研究。他們敏銳地覺(jué)察到,相比TRMM衛(wèi)星所用的單頻雷達(dá),雙頻降水雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中效果更好。

  “Ku、Ka雙頻降水測(cè)量雷達(dá),能將雷達(dá)觀(guān)測(cè)分辨率高和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)?!?04所微波遙感技術(shù)研究室主任江柏森介紹,Ku頻段有利于探測(cè)強(qiáng)降水,Ka頻段有利于探測(cè)弱降水,兩者同步工作可以擴(kuò)大降水探測(cè)能力,哪怕是每小時(shí)0.2毫米的毛毛雨,也能精準(zhǔn)感知。

  此外,利用降水粒子對(duì)不同頻段雷達(dá)信號(hào)散射不同的特性,雙頻測(cè)量可以分辨雨、雪、冰雹等,探測(cè)降水過(guò)程中的液態(tài)、固態(tài)變化,這在氣象應(yīng)用中十分重要。

  當(dāng)時(shí),美日聯(lián)合實(shí)施的全球降水觀(guān)測(cè)計(jì)劃(GPM)啟動(dòng)不久,星載雙頻降水雷達(dá)在國(guó)際上也處于探索階段?!澳菚r(shí)我們就想,要做就做最好?!苯厣f(shuō)。

  在2006年舉辦的氣象衛(wèi)星發(fā)展論壇上,研制國(guó)產(chǎn)降水測(cè)量衛(wèi)星成為共識(shí)。704所奮勇“揭榜”,扛下了衛(wèi)星主載荷降水測(cè)量雷達(dá)的研制重任。

  千方百計(jì)做“標(biāo)尺”

  這是我國(guó)首次研制星載降水測(cè)量雷達(dá),方向新、技術(shù)也新,科研工作面臨諸多挑戰(zhàn)。

  “該雷達(dá)各項(xiàng)指標(biāo)要求非常高,有些要求在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品上前所未有,設(shè)計(jì)、加工、制造困難重重?!睏顫?rùn)峰說(shuō)。

  更難的是該雷達(dá)的定量化要求。楊潤(rùn)峰介紹,以等效輻射功率為例,常規(guī)的雷達(dá)只是要求輻射功率大于指標(biāo)即可,至于具體是多少通常不作要求。但對(duì)定量化雷達(dá)來(lái)說(shuō),必須對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)作精確定標(biāo),它要成為一把標(biāo)尺,測(cè)量強(qiáng)度是多少、強(qiáng)度波動(dòng)是多少,都要有衡量標(biāo)準(zhǔn)。

  這是研制團(tuán)隊(duì)第一次做定量化雷達(dá)。怎樣把“尺”做準(zhǔn),他們只能慢慢摸索。

  2010年7月,楊潤(rùn)峰和同事們帶著產(chǎn)品樣機(jī)到四川進(jìn)行測(cè)試調(diào)試。正值盛夏,天氣悶熱潮濕,蚊蟲(chóng)更是肆虐。楊潤(rùn)峰清楚地記得,野外調(diào)試時(shí),一位同事沒(méi)戴手套,僅右手手背上就被叮了26個(gè)包。

  當(dāng)年9月,測(cè)試調(diào)試初步完成,研制團(tuán)隊(duì)又馬不停蹄奔赴江蘇鹽城,開(kāi)展機(jī)載掛飛試驗(yàn)。

  江柏森介紹,機(jī)載掛飛試驗(yàn)需要同時(shí)具備幾個(gè)條件:要有降水,又不至于影響飛行;觀(guān)測(cè)高度要在6000米以上;天上要有氣象衛(wèi)星過(guò)境,地面也要布設(shè)觀(guān)測(cè)設(shè)備,通過(guò)天、空、地一體觀(guān)測(cè),才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

  達(dá)到理想條件很難。江柏森穿著羽絨服、吸著氧,跟飛了7次,大多數(shù)無(wú)功而返。

  與此同時(shí),楊潤(rùn)峰和同事們租住在鹽城市郊一個(gè)村莊里,在房頂上架滿(mǎn)觀(guān)測(cè)設(shè)備。由于TRMM衛(wèi)星總是凌晨過(guò)境,他們只好半夜工作。奇怪的舉動(dòng),一度讓房東和村民們異常困惑。

  經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的掛飛試驗(yàn),研制團(tuán)隊(duì)終于獲得了所需數(shù)據(jù),為后續(xù)工程化研制奠定了基礎(chǔ)。

  明察秋毫“辨”雨情

  造雷達(dá)難,要讓它勝任天上的工作更不易。

  與大多數(shù)星載雷達(dá)間歇性工作不同,降水測(cè)量雷達(dá)需要在風(fēng)云三號(hào)G星的6年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不間斷開(kāi)機(jī),意味著它至少要連續(xù)工作約5.3萬(wàn)小時(shí)。其可靠性和長(zhǎng)壽命要求,成為研制團(tuán)隊(duì)面臨的難題。

  楊潤(rùn)峰帶領(lǐng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),在各種制約因素中探尋最佳平衡——通過(guò)優(yōu)化算法和資源配置,彌補(bǔ)高可靠性芯片處理能力弱的問(wèn)題;在滿(mǎn)足重量、體積、功耗等要求的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)級(jí)、軟件級(jí)等方面進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)。

  相比地面雷達(dá),星載雷達(dá)是從天上往下看,面臨很多新問(wèn)題,例如地表回波會(huì)對(duì)探測(cè)形成干擾。江柏森說(shuō),地表回波信號(hào)比降水回波信號(hào)強(qiáng)百萬(wàn)倍,如果不能很好地將其分離、消除,降水信號(hào)就測(cè)不準(zhǔn)甚至測(cè)不到。對(duì)此,研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量創(chuàng)新攻關(guān)。

  在該雷達(dá)面陣上,密集排列著一行行縫隙,電磁波就從這些縫隙里輻射出來(lái)。江柏森介紹,這數(shù)萬(wàn)個(gè)波導(dǎo)縫隙由精密加工設(shè)備切成,其寬度、深度、角度各不相同,由此可以控制陣面中不同位置電磁波能量的大小和相位。這樣的設(shè)計(jì)能有效抑制干擾,解決很多在天上觀(guān)測(cè)帶來(lái)的問(wèn)題。

  相比美日GPM衛(wèi)星,風(fēng)云三號(hào)G星性能優(yōu)勢(shì)明顯?!霸谟^(guān)測(cè)幅寬上,我們的Ku、Ka波段雷達(dá)分別高出20%和140%;相同的靈敏度條件下,我們的‘CT’每250米掃描一層,精細(xì)程度優(yōu)一倍?!苯厣f(shuō)。

  目前,降水測(cè)量雷達(dá)在軌測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定,研制人員手里的工作卻絲毫沒(méi)有松懈。在密切關(guān)注雷達(dá)在軌狀態(tài)的同時(shí),他們已投入到其他星載降水測(cè)量雷達(dá)的研制,以及下一代降水測(cè)量雷達(dá)的攻關(guān)中。

  “氣象工作與生命安全、生產(chǎn)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān),是事關(guān)人民幸福安康的‘國(guó)之大者’?!?04所所長(zhǎng)于勇對(duì)記者說(shuō),“雙頻降水測(cè)量雷達(dá)是我們邁出的第一步,未來(lái)我們將繼續(xù)在微波主動(dòng)氣象領(lǐng)域精耕細(xì)作,不斷推出更先進(jìn)的氣象遙感儀器,為我國(guó)邁向‘氣象強(qiáng)國(guó)’作出更大的貢獻(xiàn)!”(記者 付毅飛)


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