“风云四号”两大主载荷达国际先进水平

中科院上海技物所全力打造“中华牌”超级慧眼

2月27日，国防科工局联合气象局在京召开新闻发布会，公布了新一代静止轨道气象卫星“风云四号”的首批卫星云图。自2016年12月11日成功发射至今，中科院上海技术物理研究所研制的星上两大光学载荷——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪先后顺利开机工作并进入在轨测试，成功传回大量气象探测数据，图像细节清晰、波段光谱特征明晰。其中部分数据是国际气象界迫切期望使用的，除了中国的“风云四号”气象卫星，目前没有任何一颗在轨卫星能够提供。

“风云四号”气象卫星是我国第二代地球静止轨道气象卫星，这一类高轨气象卫星历来是国际竞争的制高点。美国国家航空航天局（NASA）2016年11月19日发射的新一代静止气象卫星GOES-R，以及日本同年11月9日发射的“向日葵9号”静止轨道气象卫星均未搭载干涉式大气垂直探测仪。欧洲气象卫星开发组织的第三代气象卫星MTG-I和MTG-S将分别搭载成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪，前者首颗卫星将于2022年发射。与欧美国家的静止轨道气象卫星相比，一星同时搭载先进的成像辐射计和新型的高光谱探测仪的“风云四号”01星在综合实力上已在国际上遥遥领先。

从1995年10月召开的“风云四号”气象卫星专家研讨会，到国防科工局2002年布局卫星和有效载荷预先研究，2010年国家正式立项进行工程型号研制，直至2016年12月11日零时11分卫星发射升空，前后历时整整21年。上海技物所研发团队先后破解了亚秒级指向精度的碳化硅双扫描镜二维扫描机构研制技术、高灵敏度面阵探测器技术、甚长波红外探测技术等技术难题，填补了多项国内空白，实现了所有核心技术自主研发，完成了从基础机理到核心元部件再到系统集成全创新链的自主可控研制，确保“风云四号”的两只超级慧眼——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪为纯正的“中华牌”。

这两大红外光学载荷充分利用卫星姿态的三轴稳定方式，成功抢占了地球静止轨道气象卫星在国际上竞争的制高点：高频次观测和高分辨率区域机动探测能力。其中，多通道扫描成像辐射计大幅提升了仪器性能，可加强中小尺度天气系统的监测能力；干涉式大气垂直探测仪更是填补了人类的高轨三维精细遥感知识的空白。两台主载荷同时装载在高轨气象卫星上，在国际上率先实现高时效对地三维探测，对提高我国气象卫星全球观测能力具有划时代的重要意义。这在国际气象组织中将更强地彰显“中国元素”，可切实提升我国空间天气监测预警能力。

国际上对风云四号卫星的发射给予高度重视和评价。美、俄、拉美国家的媒体第一时间进行报道和关注，认为“风云四号”气象卫星将提高中国气象局的定量观测和应用能力。欧洲气象卫星开发组织原主席、德国气象局原局长、世界气象组织空间计划卫星事务资深咨询专家蒂尔曼•莫尔表示：“国际气象界都在迫切盼望使用这种新型数据……如果最终这类探测数据的价值得到确认，干涉式大气垂直探测仪将成为气象卫星的重大突破，而中国气象部门将在这一领域走在前列。”

多通道扫描成像辐射计是瞄准国际先进水平实现气象业务应用的成像仪器，承担获取地球表面和大气的多种光谱辐射信息，为天气预报、气候观测提供观测数据的重任。与第一代静止轨道气象卫星“风云二号”配置的扫描辐射计相比，它成功实现了技术的代际跨越：探测波段数大幅增加、空间分辨率和时间分辨率成倍提高、温度分辨率明显提高、光谱分辨率显著提高、辐射定标精度有进一步提升，载荷具有灵活的区域成像功能，可获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像，包括昼夜的地球全圆盘图像、高频次的区域图像，将全面提高对地球表面和大气物理参数的多光谱、高频次、定量探测能力。具体而言，辐射计探测覆盖了可见光至波长达13.8微米的甚长波红外波段，光谱通道增加到14个；可见光通道最高空间分辨率由1.25公里提高到500米；每15分钟即可对地球圆盘扫描成像一次，还新增了高速区域扫描功能，可以最快30秒获取一张图的速度，对一百万平方公里（1000km×1000km）范围进行的多光谱密集观测。能做到这点，是因为卫星采用了新的三轴稳定架构模式、仪器采用了焦平面探测机制。欧洲空间局就因为该设计难度太大而未敢在业务气象卫星上尝试。

干涉式大气垂直探测仪是“风云四号”的关键有效载荷之一，最受同行关注和瞩目。早在1997年“风云二号”卫星刚上天，下一代高轨气象卫星开始规划之际，中科院院士匡定波便提出，我国应该发展干涉式大气垂直探测技术。这种利用傅立叶变换原理的探测仪来实现对大气的垂直探测是遥感领域红外光谱技术的一场革命，将引领人类对地遥感探测步入三维立体阶段，为气象观测提供一种新的更可靠的手段。美国、欧洲、日本都在朝这个方向努力。但由于技术难度过大、所需经费太多，美国放弃了，欧洲也延迟了计划。

作为国际首台静止轨道的干涉式大气垂直探测仪，其在长波红外和中波红外波段可实现1500个以上细分光谱的探测，光谱分辨率达0.625波数，红外波段空间分辨率达16公里。相当于给大气做超过1500层的精细“立体CT”切片式探测。它为人类深入研究大气对流，更精细预测灾害性天气提供了新的可能。

探测仪实现了成像原理与傅里叶光谱仪原理相结合，是红外遥感探测领域几十年来科学家追逐的理想境界。上海技物所成功地将实验室的高精度分析仪器放到了36000km以外的轨道上，并以光线干涉方式对地面目标实施大气垂直分布剖面的长期连续探测，充分体现了中国科学院“率先实现科学技术跨越发展”的创新实力。