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巡天观雨有“双睛”——我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达诞生记

科技日报记者 付毅飞

听到火箭点火升空的双睛轰响,正在测试厂房检查数据的巡天星载杨润峰百感交集。

“就像养育多年的观雨孩子,突然间真的有国离开你了。”日前接受科技日报记者采访时,首套双频他这样回忆雷达上天时的降水记感觉。

今年4月16日,测量我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星发射升空,雷达其主载荷是诞生由中国航天科技集团九院704所研制的我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达。双睛截至记者发稿时,巡天星载该雷达凭借犀利的观雨“双睛”,已成功探测到全球中低纬度地区降水的有国三维精细结构,捕捉到“玛娃”“泰利”等台风降雨系统的首套双频三维立体结构。在8月份的降水记华北暴雨雨情中,该雷达精准探测到降水三维精细结构信息,为防灾减灾提供了宝贵的观测数据。

作为704所风云三号G星降水测量雷达主任设计师,杨润峰和同事们为该产品辛勤奋斗了17年。当年意气风发的青年,如今已生出华发。

“双管齐下”造雷达

我国处于北太平洋西部台风活动带,台风暴雨内涝一直是部分地区面临的主要自然灾害。

获取降水资料,过去主要借助雨量计、地基雷达等手段,但受设备数量和分布位置限制,大范围高空间分辨率的地面降水信息很难得到。1997年,美日联合发射装载降水雷达的TRMM(热带降雨测量任务)卫星,开创了星载雷达探测降水的先河,也为我国新一代低轨风云气象卫星发展提供了借鉴思路。

21世纪初,704所科研人员开始搜集材料,对星载降水雷达开展前期研究。他们敏锐地觉察到,相比TRMM卫星所用的单频雷达,双频降水雷达在实际应用中效果更好。

“Ku、Ka双频降水测量雷达,能将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来。”704所微波遥感技术研究室主任江柏森介绍,Ku频段有利于探测强降水,Ka频段有利于探测弱降水,两者同步工作可以扩大降水探测能力,哪怕是每小时0.2毫米的毛毛雨,也能精准感知。

此外,利用降水粒子对不同频段雷达信号散射不同的特性,双频测量可以分辨雨、雪、冰雹等,探测降水过程中的液态、固态变化,这在气象应用中十分重要。

当时,美日联合实施的全球降水观测计划(GPM)启动不久,星载双频降水雷达在国际上也处于探索阶段。“那时我们就想,要做就做最好。”江柏森说。

在2006年举办的气象卫星发展论坛上,研制国产降水测量卫星成为共识。704所奋勇“揭榜”,扛下了卫星主载荷降水测量雷达的研制重任。

千方百计做“标尺”

这是我国首次研制星载降水测量雷达,方向新、技术也新,科研工作面临诸多挑战。

“该雷达各项指标要求非常高,有些要求在当时国内相控阵雷达产品上前所未有,设计、加工、制造困难重重。”杨润峰说。

更难的是该雷达的定量化要求。杨润峰介绍,以等效辐射功率为例,常规的雷达只是要求辐射功率大于指标即可,至于具体是多少通常不作要求。但对定量化雷达来说,必须对雷达系统参数作精确定标,它要成为一把标尺,测量强度是多少、强度波动是多少,都要有衡量标准。

这是研制团队第一次做定量化雷达。怎样把“尺”做准,他们只能慢慢摸索。

2010年7月,杨润峰和同事们带着产品样机到四川进行测试调试。正值盛夏,天气闷热潮湿,蚊虫更是肆虐。杨润峰清楚地记得,野外调试时,一位同事没戴手套,仅右手手背上就被叮了26个包。

当年9月,测试调试初步完成,研制团队又马不停蹄奔赴江苏盐城,开展机载挂飞试验。

江柏森介绍,机载挂飞试验需要同时具备几个条件:要有降水,又不至于影响飞行;观测高度要在6000米以上;天上要有气象卫星过境,地面也要布设观测设备,通过天、空、地一体观测,才能对数据进行比对验证。

达到理想条件很难。江柏森穿着羽绒服、吸着氧,跟飞了7次,大多数无功而返。

与此同时,杨润峰和同事们租住在盐城市郊一个村庄里,在房顶上架满观测设备。由于TRMM卫星总是凌晨过境,他们只好半夜工作。奇怪的举动,一度让房东和村民们异常困惑。

经过两个多月的挂飞试验,研制团队终于获得了所需数据,为后续工程化研制奠定了基础。

明察秋毫“辨”雨情

造雷达难,要让它胜任天上的工作更不易。

与大多数星载雷达间歇性工作不同,降水测量雷达需要在风云三号G星的6年设计寿命内不间断开机,意味着它至少要连续工作约5.3万小时。其可靠性和长寿命要求,成为研制团队面临的难题。

杨润峰带领设计团队,在各种制约因素中探寻最佳平衡——通过优化算法和资源配置,弥补高可靠性芯片处理能力弱的问题;在满足重量、体积、功耗等要求的同时,对系统级、单机级、软件级等方面进行冗余备份设计。

相比地面雷达,星载雷达是从天上往下看,面临很多新问题,例如地表回波会对探测形成干扰。江柏森说,地表回波信号比降水回波信号强百万倍,如果不能很好地将其分离、消除,降水信号就测不准甚至测不到。对此,研制团队开展了大量创新攻关。

在该雷达面阵上,密集排列着一行行缝隙,电磁波就从这些缝隙里辐射出来。江柏森介绍,这数万个波导缝隙由精密加工设备切成,其宽度、深度、角度各不相同,由此可以控制阵面中不同位置电磁波能量的大小和相位。这样的设计能有效抑制干扰,解决很多在天上观测带来的问题。

相比美日GPM卫星,风云三号G星性能优势明显。“在观测幅宽上,我们的Ku、Ka波段雷达分别高出20%和140%;相同的灵敏度条件下,我们的‘CT’每250米扫描一层,精细程度优一倍。”江柏森说。

目前,降水测量雷达在轨测试运行稳定,研制人员手里的工作却丝毫没有松懈。在密切关注雷达在轨状态的同时,他们已投入到其他星载降水测量雷达的研制,以及下一代降水测量雷达的攻关中。

“气象工作与生命安全、生产发展、生态环境紧密相关,是事关人民幸福安康的‘国之大者’。”704所所长于勇对记者说,“双频降水测量雷达是我们迈出的第一步,未来我们将继续在微波主动气象领域精耕细作,不断推出更先进的气象遥感仪器,为我国迈向‘气象强国’作出更大的贡献!”

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