他们为我国首颗海洋盐度探测卫星装上“利器”|卫星|刘浩_新浪科技

人人都知道海水是咸的，那么在覆盖占地球面积70%的海洋里，不同位置的海水会一样咸吗？要回答这个问题，最简单的方式就是用遥感卫星去“看”。然而，这件说起来简单的事，却困扰了科技界很多年。

11月14日，我国首颗专门探测海水盐度的卫星成功发射升空。当天凌晨4点，作为海洋盐度探测卫星（以下简称盐度星）主被动微波探测仪的负责人，中国科学院国家空间科学中心（以下简称空间中心）研究员刘浩携团队早早地抵达发射现场。

现场目睹火箭升空之后，刘浩迅速回到技术区，盯着电脑屏幕显示的遥测数据。数据显示，主被动微波探测仪的反射面天线在入轨后不久逐步展开到位。刘浩长舒一口气：“成了！”

他带着团队自主研制17年的新型载荷，总算从想法变成了现实。

“将来我们国家可能会需要这项技术”

海洋盐度的高低，会影响到海水的密度，进而驱动大洋环流。同时，它也能显示出全球气候变化及全球水循环变化，是“天然的雨量计”。正因如此，探测海洋盐度一直是国际科学界的期待。

海洋面积覆盖广，要想知道全球海洋盐度的时空分布情况，最便捷的方式是用遥感卫星。而遥感卫星的“眼睛”，就是能获取海面微波辐射亮温数据的微波辐射计。

测量海洋盐度的卫星对微波辐射计的要求极高。“舌头都尝不出来的细微差别，卫星却要通过微波辐射计从天上辨别出来。假设卫星探测盐度的的精度要达到0.1个实用盐度标准（psu），就相当于微波辐射计要能分辨1千克海水中含有35克盐还是34.9克盐。”刘浩说。

不仅如此，微波辐射计的观测还面临着风浪、温度、地面微波信号等干扰。“刮风时平静的海面就变得粗糙，海水的温度时刻变化，这些都会使海面的微波辐射不停地变动。而且，地面的通信雷达等信号也会对辐射计产生干扰。”刘浩说。

正因为难度大，从全世界范围来看，海洋盐度的遥感测量技术，几乎都是海洋动力遥感测量中最后一个被解决的技术难题。“大家都是先解决海洋温度、海面风场、海面高度等遥感测量技术，最后考虑怎么解决盐度的遥感探测问题。”刘浩说。

2006年，在欧洲空间局（ESA，简称欧空局）访学的刘浩深度了解了欧空局正在研制的土壤水分和海洋盐度卫星（SMOS）。彼时，SMOS团队正在攻关对盐度辐射敏感度最高的L波段辐射计。与此同时，美国也开启了L波段辐射计相关预研工作。

那一刻，刘浩意识到“将来我们国家可能会需要这项技术，我们得往前走一步”。

2007年，刘浩回到空间中心，立即向中国科学院提出项目申请。在中国科学院的支持下，他们以40万经费为基础，开始了“L波段干涉式综合孔径辐射计”关键技术研究，目标是研制出能稳定、高精度探测出海洋盐度变化的辐射计。

揭榜走出新路线

刘浩对国家需求的预判是对的。

2011年，国家相关部委开始组织海洋盐度探测载荷的预先研究，发布了“主被动联合探测盐度计预先研究”项目申报指南（以下简称指南）。此时，欧洲于2009年发射的SMOS卫星没能达到预期的0.1psu的探测精度，美国在2011年发射的宝瓶座（Aquarius）卫星也存在空间分辨率及视场幅宽偏低的问题。

有了此前的技术积累，刘浩团队主动揭榜。在项目申请书中，他们详细分析了欧美卫星的优缺点，提出了一种综合了双方优点又与二者皆不相同的新技术路线。

SMOS卫星任务采用的是二维综合孔径辐射计技术，用诸多的小型接收天线来替代传统的大孔径天线，通过小天线之间的两两组合干涉测量形成虚拟的大天线口面，无需机械扫描就能获得高分辨率、宽视场成像。美国Aquarius则采用了相对保守的大孔径天线技术体制，同时加入了同频段的主动遥感手段，以校正海面粗糙度的影响。

刘浩团队设计的辐射计将综合孔径技术和大孔径天线结合起来，在利用综合孔径技术实现高分辨率、宽视场成像的同时，利用大孔径反射面保证了辐射计具有足够的分辨盐度变化的灵敏度，并且可以同时兼容多频主被动的探测。

“这是一种全新的解题思路，我们相信能实现指南提出的目标。”刘浩说。

2015年，按照设计思路，刘浩团队顺利突破关键技术，达到指南提出的技术指标，做出原理样机。

从外观看，与SMOS卫星探测器的“Y”字型、Aquarius卫星探测器的“大圆盘”都不同，盐度星的主被动微波探测仪就像是推土机上的“大铲子”。

被动接收微波辐射信号的馈源系统呈“一”字型排在“大铲子”斜下方，其上不仅有对盐度辐射灵敏的L波段微波辐射计，还有对海表温度等辐射敏感的C、K波段微波辐射计，三种频段的接收器组成了综合孔径辐射计。不仅如此，与辐射计馈源平行排布的还有主动发射微波信号、用于海面粗糙度校正的L波段数字波束形成散射计馈源，由此实现主被动探测技术的结合。

当原理样机实实在在地出现在空间中心怀柔园区的大院里时，国家也有了关于盐度星的新规划。

2015年，我国《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》（以下简称规划）中提到，要“创新观测体制和技术，填补高轨微波观测、激光测量、重力测量、干涉测量、海洋盐度探测、高精度大气成分探测等技术空白”，并将“海洋盐度探测”列为“遥感卫星科研任务”之一。

看到规划的那一刻，刘浩知道，储备了这么多年的技术，终于到了一显身手的时候。

“我们的载荷正飞着呢”

2020年，盐度星正式批复立项。刘浩团队的技术储备得到了评审专家的认可。也正是从那时开始，刘浩切身体会到航天任务与科研探索之间的本质不同。

科研探索允许不确定性，但航天任务不行。“研制出原理样机后，我们发现，作为一个idea（想法），它是可行的，但是，当它进入工程型号阶段，要做成真实载荷时，我们必须保证所有细节都是确定的。”刘浩说。

对于刘浩团队来说，“全新的载荷”意味着“巨大的工作量”。他们和卫星工程团队一起，把系统层面、分系统层面、单机层面等所有环节全部“掰碎”，一步步给出技术准确无误的实验论据。

“每个技术环节不是我认为‘可以’就可以，我们必须用一系列数据和实验来验证。”刘浩说。

仅辐射计的标定工作，就曾让他们绞尽脑汁。他们设计的主被动微波探测仪，系统复杂度史无前例的“高”——辐射计有3个频段、56个接收通道，散射计有10个收发通道。相比而言，SMOS卫星只有单个频段、69个接收通道，Aquarius卫星也只有单个频段、3个辐射计接收通道和3个散射计收发通道。

“载荷在轨运行要想实现高稳定观测，就要每10毫秒对接收机做一次定标。”刘浩说，辐射计上设计了内部定标源，接收机需要在星上开关的控制下，不停地切换状态，一会儿要接受定标源的标定，一会儿又要接收海洋盐度辐射，而且接收辐射信号时还不能收到内部定标源的信号干扰。

为了验证辐射计内部定标源和定标系统的可靠性和稳定性，团队设计了专门用来检验定标系统的热真空定标试验系统。将除了反射面天线之外的整个载荷和两个亮度温度不同的定标源放进了大型真空罐，并且为定标源加上滑动轨道。这样，定标源就可以滑动着为每一个辐射计馈源通道进行定标。

整个载荷在真空罐模拟的真实在轨环境下稳定运行了半个月。刘浩带着团队24小时连轴转，终于赶在计划节点前完成了多项定标测试，获取了载荷发射在轨后进行数据处理所需要的定标参数。