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    巡天觀雨有“雙睛”——我國首套星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達誕生記

    作者:東昌府新聞網 發表于:2023-08-29 09:53:43  點擊:

    風云三號G星在軌示意圖。圖片來源:中國航天科技集團九院704所

    聽到火箭點火升空的轟響,正在測試廠房檢查數據的楊潤峰百感交集。

    “就像養育多年的孩子,突然間真的離開你了?!比涨敖邮芸萍既請笥浾卟稍L時,他這樣回憶雷達上天時的感覺。

    今年4月16日,我國首顆降水測量專用衛星風云三號G星發射升空,其主載荷是由中國航天科技集團九院704所研制的我國首套星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達。截至記者發稿時,該雷達憑借犀利的“雙睛”,已成功探測到全球中低緯度地區降水的三維精細結構,捕捉到“瑪娃”“泰利”等臺風降雨系統的三維立體結構。在8月份的華北暴雨雨情中,該雷達精準探測到降水三維精細結構信息,為防災減災提供了寶貴的觀測數據。

    作為704所風云三號G星降水測量雷達主任設計師,楊潤峰和同事們為該產品辛勤奮斗了17年。當年意氣風發的青年,如今已生出華發。

    “雙管齊下”造雷達

    我國處于北太平洋西部臺風活動帶,臺風暴雨內澇一直是部分地區面臨的主要自然災害。

    獲取降水資料,過去主要借助雨量計、地基雷達等手段,但受設備數量和分布位置限制,大范圍高空間分辨率的地面降水信息很難得到。1997年,美日聯合發射裝載降水雷達的TRMM(熱帶降雨測量任務)衛星,開創了星載雷達探測降水的先河,也為我國新一代低軌風云氣象衛星發展提供了借鑒思路。

    21世紀初,704所科研人員開始搜集材料,對星載降水雷達開展前期研究。他們敏銳地覺察到,相比TRMM衛星所用的單頻雷達,雙頻降水雷達在實際應用中效果更好。

    “Ku、Ka雙頻降水測量雷達,能將雷達觀測分辨率高和衛星觀測范圍廣的優勢結合起來?!?04所微波遙感技術研究室主任江柏森介紹,Ku頻段有利于探測強降水,Ka頻段有利于探測弱降水,兩者同步工作可以擴大降水探測能力,哪怕是每小時0.2毫米的毛毛雨,也能精準感知。

    此外,利用降水粒子對不同頻段雷達信號散射不同的特性,雙頻測量可以分辨雨、雪、冰雹等,探測降水過程中的液態、固態變化,這在氣象應用中十分重要。

    當時,美日聯合實施的全球降水觀測計劃(GPM)啟動不久,星載雙頻降水雷達在國際上也處于探索階段?!澳菚r我們就想,要做就做最好?!苯厣f。

    在2006年舉辦的氣象衛星發展論壇上,研制國產降水測量衛星成為共識。704所奮勇“揭榜”,扛下了衛星主載荷降水測量雷達的研制重任。

    千方百計做“標尺”

    這是我國首次研制星載降水測量雷達,方向新、技術也新,科研工作面臨諸多挑戰。

    “該雷達各項指標要求非常高,有些要求在當時國內相控陣雷達產品上前所未有,設計、加工、制造困難重重?!睏顫櫡逭f。

    更難的是該雷達的定量化要求。楊潤峰介紹,以等效輻射功率為例,常規的雷達只是要求輻射功率大于指標即可,至于具體是多少通常不作要求。但對定量化雷達來說,必須對雷達系統參數作精確定標,它要成為一把標尺,測量強度是多少、強度波動是多少,都要有衡量標準。

    這是研制團隊第一次做定量化雷達。怎樣把“尺”做準,他們只能慢慢摸索。

    2010年7月,楊潤峰和同事們帶著產品樣機到四川進行測試調試。正值盛夏,天氣悶熱潮濕,蚊蟲更是肆虐。楊潤峰清楚地記得,野外調試時,一位同事沒戴手套,僅右手手背上就被叮了26個包。

    當年9月,測試調試初步完成,研制團隊又馬不停蹄奔赴江蘇鹽城,開展機載掛飛試驗。

    江柏森介紹,機載掛飛試驗需要同時具備幾個條件:要有降水,又不至于影響飛行;觀測高度要在6000米以上;天上要有氣象衛星過境,地面也要布設觀測設備,通過天、空、地一體觀測,才能對數據進行比對驗證。

    達到理想條件很難。江柏森穿著羽絨服、吸著氧,跟飛了7次,大多數無功而返。

    與此同時,楊潤峰和同事們租住在鹽城市郊一個村莊里,在房頂上架滿觀測設備。由于TRMM衛星總是凌晨過境,他們只好半夜工作。奇怪的舉動,一度讓房東和村民們異常困惑。

    經過兩個多月的掛飛試驗,研制團隊終于獲得了所需數據,為后續工程化研制奠定了基礎。

    明察秋毫“辨”雨情

    造雷達難,要讓它勝任天上的工作更不易。

    與大多數星載雷達間歇性工作不同,降水測量雷達需要在風云三號G星的6年設計壽命內不間斷開機,意味著它至少要連續工作約5.3萬小時。其可靠性和長壽命要求,成為研制團隊面臨的難題。

    楊潤峰帶領設計團隊,在各種制約因素中探尋最佳平衡——通過優化算法和資源配置,彌補高可靠性芯片處理能力弱的問題;在滿足重量、體積、功耗等要求的同時,對系統級、單機級、軟件級等方面進行冗余備份設計。

    相比地面雷達,星載雷達是從天上往下看,面臨很多新問題,例如地表回波會對探測形成干擾。江柏森說,地表回波信號比降水回波信號強百萬倍,如果不能很好地將其分離、消除,降水信號就測不準甚至測不到。對此,研制團隊開展了大量創新攻關。

    在該雷達面陣上,密集排列著一行行縫隙,電磁波就從這些縫隙里輻射出來。江柏森介紹,這數萬個波導縫隙由精密加工設備切成,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。這樣的設計能有效抑制干擾,解決很多在天上觀測帶來的問題。

    相比美日GPM衛星,風云三號G星性能優勢明顯?!霸谟^測幅寬上,我們的Ku、Ka波段雷達分別高出20%和140%;相同的靈敏度條件下,我們的‘CT’每250米掃描一層,精細程度優一倍?!苯厣f。

    目前,降水測量雷達在軌測試運行穩定,研制人員手里的工作卻絲毫沒有松懈。在密切關注雷達在軌狀態的同時,他們已投入到其他星載降水測量雷達的研制,以及下一代降水測量雷達的攻關中。

    “氣象工作與生命安全、生產發展、生態環境緊密相關,是事關人民幸福安康的‘國之大者’?!?04所所長于勇對記者說,“雙頻降水測量雷達是我們邁出的第一步,未來我們將繼續在微波主動氣象領域精耕細作,不斷推出更先進的氣象遙感儀器,為我國邁向‘氣象強國’作出更大的貢獻!”

    來源:科技日報

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