多波束激光雷达数据探测优异：我国碳汇监测正式进入天基遥感时代

如今，在离地球500公里外的卫星轨道上，一颗“碳星”的使命刚刚开始。放在以前，传统的碳汇测量要依靠人工对森林植被进行抽样监测，而此次碳星因携带了一种多波束的激光雷达，可以让森林碳汇监测变得更加智能和精准。
作为我国首颗主被动联合观测的遥感卫星，它的主要任务是进行森林碳汇监测。近日，主载荷多波束激光雷达正式“开机”。分析回传反馈的数据，该激光雷达的研制团队表示：在轨运行正常，数据发挥了作用。我国碳汇监测正式进入了天基遥感时代。


多波束激光雷达测试现场。中国航天科技集团九院704所供图
星载寿命是欧美国家的两倍
多波束激光雷达的研制历经了十年。来自中国航天科技集团九院704所、负责研制此次多波束激光雷达的赵一鸣说：“我们有个博士，刚招进所里就开始干这件事，从20多岁干到了30多岁。”
在她看来，用十年时间去雕琢一件事，没有热情和责任是很难坚持下来的。在科研道路上，没有人能完全保证，一件产品能如期顺利地“诞生”。
这十年间，她顺利生下了两个孩子。有时候，同事们在私底下会偶尔说起：“赵总这十年里生了三个孩子。”同事嘴中所说的另一个“孩子”，指的是多波束激光雷达。赵一鸣把这个“孩子”称为老大，因为老大“上天了”，已经成才了。
2022年8月4日，在太原卫星发射中心，随着长征四号乙运载火箭的成功发射，配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪4种载荷的陆地生态系统碳监测卫星也顺利入驻太空。
从功能上看，这颗“碳星”的多波束激光雷达弥补了传统被动遥感器在垂直剖面观测上的空白，发挥了更精确地掌握气溶胶——“碳排放”的大气重要载体的作用。


气溶胶子系统鉴定件样机外场试验现场。中国航天科技集团九院704所供图
“载荷中的两个激光雷达，一个是探测大气的，主要针对云层和气溶胶，这种探测能获取二者的分布情况和种类信息；另一个是探测植被的，可以探测到全球植被冠层的高度，通过冠层高度也能分析出植被体积和分布量。”赵一鸣解释道。
因多波束激光雷达针对“陆地碳”和“大气碳”两个重要方向，能对植被和大气进行主动高精度探测，航天人认为，这一利器必将为我国“双碳”战略提供重要技术支撑。
目前而言，在太空运行的星载产品的可维修性几乎为零。对研制人员来说，延长多波束激光雷达的星载寿命成了一项挑战不小的难题。项目团队成员潘超告诉新京报记者，在星载长寿命的设计上，欧美国家一般是3至5年，但此次他们提出，要把多波束激光雷达的星载寿命延长到8年，即相当于欧美国家的两倍。
“好比一个电灯泡，用久了肯定就会有些问题。所以我们尽可能去延长星载产品的在轨运行时间，以获取更丰富的数据。”潘超说，激光雷达大致由光源发射系统、大口径的接收系统、能进行探测的信息处理系统三个部分组成，在一套复杂的光学系统面前，每个部件都需要精心设计。周全考虑，减少失误，是为了最大程度让产品呈现出最佳状态。
据介绍，多波束激光雷达创新实现了主被动共口径观测以及植被大气协同探测技术，并在国际上首次攻克高分辨率对地成像，5波束高精度植被探测和1064nm、532nm偏振多通道大气探测三个主被动载荷共口径复合探测难题。
简单来说，一个载荷可同时实现对植被高程测量、大气垂直廓线探测和对地高分辨成像的功能。
保证测试一致性，研制队员基本不喝水
项目团队的队员会觉得这十年过得飞快。他们在密封的工作环境里，似乎都没了时间概念。赵一鸣所在单位的实验室，是他们研制多波束激光雷达的地方。实验忌讳杂光，实验室的墙壁上是黑色的遮光布，穿上洁净服后，这些人便一头扎进光学仪器和电脑设备前。
那个从20多岁熬到30多岁的博士叫李静。她在实验室调试时，需要用上一个感光片，目的是把不可见光转换成可见光，为了精准看见光，她得关上实验室内的灯。
人员进进出出也会影响激光实验要求的超净环境。通常情况下，要完成一次实验的既定工作量，研制人员要控制进食。仪器设备启动后，人就要在跟前。一般人离开了就需要给设备断电，所以为了节省时间，为了保证测试的一致性，在实验过程中，他们基本不喝水。因为要避免上厕所，要省下换脱衣服花的时间。


多波束激光雷达分系统总装测试现场。中国航天科技集团九院704所供图
在同事眼中，李静很有韧劲。她在接受新京报记者采访时也表示：“只要这个事情是交给我做，不管用什么方法，我肯定要把它解决好。自己做的激光器能用在航天上，心里很有成就感。”
赵一鸣是航天九院704所招进来的首个国家公派留学博士,此后李静也加入进来。十多年前，国内激光器的研制水平与国外还有一定差距，像李静这样做激光器的学生也很少，彼时即将从德国亚琛工业大学学习结束的李静，在一场招聘会上，见到了时任704所所长的李艳华。一番深刻交流后，李静决定“迎难而上”，回国留在704所。
早年间，我国地面激光雷达的应用还比较少，星载的激光雷达应用亟须开发。“对于星载的激光雷达能在天上发挥多大作用，实现多大的效能，没有人能说得太清楚。”赵一鸣称，既要面向应用，又要实现技术的先进性，这让多波束激光雷达的立项在一开始就备受质疑。
有了大量地面激光雷达验证的丰富数据和经验，2014年，我国针对探测大气的首例多波长激光雷达挂飞综合试验顺利完成，两年后，针对探测植被的大光斑激光雷达机载系统挂飞综合试验也顺利完成。此外，研制人员还对一些工程上的关键技术进行了攻关，验证了主动载荷从天上往地下看的技术和原理的可行性。
解决了星载激光雷达的应用、技术指标的论证、单项关键技术的攻关等问题，2016年年底，近50名专家聚在北京一个酒店的大厅里，开展商议评审，会议结束前，专家们一致认为：可行，可做。
潘超觉得，在既有的条件下，要实现跟跑、并跑、领跑，是个艰难的过程。“但我也觉得，你付出了多少，就会收获多少。”他说。
项目团队从原先的10人壮大到50多人，在赵一鸣看来，这批人是真正热爱激光雷达事业。赵一鸣告诉团队成员：“你们以后当爷爷奶奶了，你就跟孙子辈说，当年我做了个东西，现在在太空还能打出光到地球来，在地球上有个印记。你们说，这是不是件很伟大的事情？”


项目团队对多波束激光雷达大气激光器进行装调。中国航天科技集团九院704所供图
接收激光回波信号，自动对中系统尤为关键
大气激光雷达在工作时需确保激光器发射的激光经大气反射后恰好进入望远镜接收视场，才能使激光雷达收到回波信号。
由于激光器发散角和望远镜视场角都非常小，这一过程就如大海捞针一样困难，此时自动对中系统就尤为关键。
“简单地讲，自动对中系统就是一个高精度、高分辨率的二维激光指向调整装置。”该自动对中系统技术负责人周树春告诉记者。
据他介绍，当前，由于无法获得高精度实时光轴指向反馈信号，系统精度完全依靠精密机构和控制系统自身设计加工的精度，其难度很大。
技术团队从前期的技术攻关，到电性件和鉴定件的研制，再到最后的正样研制，整个自动对中系统的研制前后花了近七年时间。
大气激光雷达在发射中会经历剧烈振动，卫星发射入轨后，重力环境也会发生巨大变化，这些因素都会导致原本调整好的收发光轴发生变化。
周树春说，此时就需要自动对中系统“大显身手”，它有一套高效的搜索策略确保准确地找到最佳对中位置，对中完成是激光雷达工作的第一步，这也是项目总体特别关注这一分系统的主要原因。
由于没有前人的经验借鉴，自动对中系统的研制过程非常艰难，遇到了很多困难，每一个难题的解决都凝聚着项目组设计人员的巨大付出。
在做热真空实验时，作为分系统的一项关键指标，激光指向的稳定性严重超标。研制团队把试验室当成了家，吃住、工作在一起，花了一个多月时间，把各种工况的实验全部做了一遍，逐个排查。


多波束激光雷达热真空试验现场。中国航天科技集团九院704所供图
“我们把系统的每一组件在热真空环境下的特性摸个遍，最终才找到问题的症结。作为航天人，要想成功就得对自己狠一点。”周树春说。
据了解，目前，自动对中系统已经顺利完成了在轨对中过程，准确标定出了激光发射光轴的最佳位置。系统精度和稳定性完全满足指标要求。
没因病痛落泪，却在发射现场失声痛哭
为了实现高精度的碳汇监测，研制人员还要做一项创新，将激光雷达和光学相机放在同一载荷上，来实现主被动的联合观测。团队没有经验可借鉴，方案反复论证，测试实验失败又重来，历经两年多，最终艰难地克服了障碍。
除了已经在轨运行的激光器外，地面上也有个类似的激光器。研制人员设计它，是为了考核激光器的星载寿命。这个1:1的地面激光器的验证测试已持续了近2年8个月，并向天上发射了14亿次的激光脉冲。这一测试证明，激光器已远远超过了当时设计时的相关要求，性能稳定。
这些年来，当上妈妈的赵一鸣，有过两次骨折，拄着双拐，打着夹板，她也从未掉队。任务来了，大家都是奔着完成任务去的。“为了保证项目的研制周期，李静博士也是两次推迟了自己的手术时间，硬撑着完成了整个载荷的研制后才去做的手术。”赵一鸣说。
据李静回忆，在做项目论证的一段时间里，她总感觉肚子疼痛难忍，去医院检查后，发现自己已经怀孕7周了。孩子出生后，简单休养完就又投入到激光器的研制中。李静的丈夫也是航天人，他们都很忙，加上双亲年纪大，行动不太方便，小孩要接种新冠疫苗，结果拖了两年半。
去年，李静又间断性地觉得肚子疼。“我是属于那种工作起来，就不知道饿、不知道痛，一让我歇着，身体不适感的反应就极其强烈的人。”李静告诉记者，晚上睡觉做梦，会梦到自己为产品出现的问题焦虑。为了让自己做的产品不出差错，在做大气环境实验的热真空监测时，她曾连续70个小时没睡觉。后来，李静发现，自己出现急性剧烈腹痛的原因竟是体内囊肿破裂。
对于这种工作状态，潘超也提到，他们看的不是时间，而是当天任务的完成度，有些时候，一出实验室才发现是凌晨两三点了。
没因病痛落泪的李静，在今年8月初的“碳星”发射现场哭了。她站在离太原卫星发射基地最近的一个小山包上，死死盯着火箭。一旁的同事问她：“感觉到地动山摇了吗？”李静转头望着同事，泪水掉了下来。“我真的忍不住，哭了快半小时。发射完，所（704所）领导来了，我还在哭。真的，我挺自豪的。”李静说。
实际上，多波束激光雷达随着“碳星”顺利升空，让整个项目团队成员都兴奋不已。卫星升空后，赵一鸣写了首打油诗，诗中有两句是：筚路蓝缕无悔惧，只待明年花更好。
随着多波束激光雷达在轨运行正常，探测数据优异。接下来，该激光雷达将在日后的“碳汇”量化监测和全球“碳家底”摸排中发挥至关重要的作用。
修养中的李静也告诉记者：“希望能早点调整过来，再为祖国奉献30年。”
新京报记者 张建林
编辑 陈静 校对 刘越