高精度云图将使地球风云变化肉眼可见!它是如何拍出的? | 沈霞

高精度云图将使地球风云变化肉眼可见!它是如何拍出的? | 沈霞

风四辐射计真正的核心技术都掌握在我们自己手里,我们的风云四号打的是纯正的中国牌!

沈霞 

风云四号气象卫星扫描成像辐射计副主任设计师

中科院上海技术物理研究所副研究员


大家好,我是沈霞,来自中科院上海技术物理研究所

看到“风云”两个字,大家会想到什么?我问过很多人这个问题,有人告诉我“风起云涌”,也有人跟我说“风云人物”,当然也有人回答的是《风云雄霸天下》。

下面给大家展示的这个视频就是真正的地球风云,这是2016年12月11日(发射的)风云四号气象卫星上扫描成像辐射计拍摄的地球24小时的云图。在赤道附近大家有没有注意到有一块亮斑在移动,是什么?那是太阳在海洋上面的倒影,是不是看起来很神奇。

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从认识光起认识云图


这在我们眼里看来可能只是普通的一张图,但是在科学家眼里它实际上是一组庞大的数据,要想看懂这张图,就要先从下图中这些光说起。

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大自然其实对人类并没有特别的优待,人眼能看到的可见光只是其中的一小部分,还有很多的光是看不见的。但那些看不见的光,可以用仪器把它拍出来。

比如去医院体检拍胸片会涉及到的X光,它还能干嘛呢?英国的一个艺术家用它拍了一个艺术作品,如下图。

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还有一种光大家可能听说得比较多,但是接触得不多,那就是红外线关于红外线,我想给大家展示一个小实验。


一次我去同事办公室,她正在摆弄一个红外热像仪。下图左是她放在办公室的一个文件袋,我的同事把手在这个文件袋上按了一小会儿拿走后,用手机和红外热像仪分别拍了如下两张照片。

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图右红外热像仪拍的照片,可以很清晰地看出按手印的位置,这是为什么?

因为红外线是对温度敏感的波段,她的手按在上面的时候,就对这个文件袋的局部进行了加热,让她手印的地方温度比周围高,热象仪就能把它拍出来了。

拿既然红外线对温度敏感,我们能不能用红外线热像仪的原理对物体的温度进行测量呢?答案是肯定的。

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看上面这15张图,从第2张开始就是风云四号辐射计拍摄的一些不同波段的图,可以这么理解:每一张图就代表一种单色光,但实际上其中的可见光只有前面的两张,后面就是近红外还有红外的图片,每一张图片上面的像素点都可以推导出一个具体的温度值。

我们可以想象一下拿着一个超级温度计,在距离地球36000公里那么高的地方,对地面的水汽、树、植被还有地表进行温度测量,测量的精度能到多少呢?能精确到一度。这是不是很厉害。

那么这些单色图可以用来干什么呢?可以用来做合成。比如刚才一开始给大家展示的那个非常炫的地球动图就是由前面三个波段的图片合成的。那我们如果拿第一张第二张和第四张合成会看到什么呢?

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上图是一张冰云图,蓝色的部分就是冰云,它的温度是低于零度的,而白色的就是我们普通的常温云。能够把冰云和常温云区分开来对天气预报有很大的作用。

再来看一下对孟加拉湾北部的一个雾霾监测图,在图中灰色的就是雾霾,白色的就是云还有雪。

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风云四号在国际上是什么水平?

那么风云四号气象卫星在国际上处在什么样的水平呢?我给大家介绍一下风四和它国际上的小伙伴们。

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首先要说的就是美国的GOES-16,它上面装载的仪器叫ABI,相当于风云四号上面的辐射计。


这里再给大家讲一下辐射计是什么?可以把它想象成拍地球的照相机,而这个照相机是装在卫星平台上的。

但是最终要评价风云四号的水平到底怎样,主要还是要看卫星上装载的这些仪器的性能。刚才说了美国的GOES-16上面装载的是ABI,欧洲的MTG上面装载的是FCI,还有中国风四上面装载的辐射计。

这三个系列美欧中可以说是三足鼎立。如果单单从辐射计的角度来看,它的性能指标比美国的ABI和欧洲的FCI要略差一点,但是风四上面还装载了另外一台重量级的仪器,就是大气垂直探测仪。

目前大气垂直探测仪是世界上(在地球静止轨道)第一个首发的(大气垂直探测)仪器,也就是说美国没有。那欧洲呢?欧洲人比较奢侈,他们觉得辐射计和探测仪这两大载荷装在同一个卫星上会相互干扰,于是分了两个卫星装。

再来看看发射时间,在去年的11月19日美国人的GOES-16首发,而在去年的12月11日我国的风云四号首发,为了赶上这个时间节点研制项目组是花了很多心思的。

说到这里还要再补充一个,就是欧洲人的MTG计划要到2019年才能发射。那为什么不提日本呢?日本的葵花9性能也不差呀。因为它上面的核心仪器是美国人卖给它们的。

大家似乎都不怎么了解风云卫星。风云卫星是气象卫星,气象卫星对防灾减灾有非常重要的作用,它的投入产出比在国际上公认的是1:40,所以我国在1977年就开始发展我国的风云卫星。

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上图中的轨道,不做天文学的人可能不是很理解。小圈里面这个轨道叫太阳同步轨道,高度在500到1000公里左右。它的特点是什么呢?它看南极和北极比较清楚;它的缺点是什么呢?就是它对同一个地点的观测一天最多只能看两次。

另外一个轨道就是地球静止轨道,它的轨道高度有36000公里那么远。它的特点是什么呢?如果在这个轨道上的卫星足够大,大到我们在地面上就像一颗星星一样能够看到它

那你就不用拿星图表整天找这个星星在哪,因为它会永远定在那个位置,盯着你看。然后就可以利用它这个特点在这个轨道上面布置卫星,对地球进行24小时的连续成像,这也是为什么我能给大家展示刚才那张地球图,就是因为它是在地球静止轨道拍摄的。

作为一个气象应用,因为它们是互补的,所以国家是要在这两个轨道同时布置卫星的。于是我国就在太阳同步轨道布置了风云一号,它的第二代产品是风云三号,并在地球静止轨道布置了风云二号,它的下一代产品就是我们目前刚刚首发的风云四号。

风云四号的研制花了15年的时间,为什么要花这么长的时间呢?我现在就给大家分享一下风四辐射计研究的小故事。

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2001年的时候,所里的王淦泉老师带着一个光学、一个机械设计师开始预研,当时瞄准的目标是美国GOES-8在1994年发射的卫星。


GOES-8当时做了五个通道,也就是说它一次能拍五张图,而王老师瞄准的这个目标是要做十个通道,一次拍十张图,这在当时看来是很先进的。

2004年底的时候,他唯一的机械设计师跳槽了,于是我就有幸加入了这个团队。2007年的时候,我们的原理样机研制成功了,大家都很高兴,觉得再过个一两年十通道的产品就可以发上天了,而且在当时国际上还能占到领先的水平。

但是这时美国推出了一个对我们来说爆炸性的新闻,即他们开始打造他们的GOES-R系列。

GOES-R就是刚刚提到GOES-16,美国人把他们没有发射的卫星叫做R系列,即会用字母来表示,发射完之后他们就用1234等数字来表示。


他们准备在GOES-R上面装载最新的仪器——ABI,ABI跟原来的GOES-8相比前进了很多,它能拍16个通道的图。

这个时候我们就面临选择了。如果我们把已经研制成功的十通道的产品发射上去,我们会在GOES-R上天之前的这一小段时间里面保持领先,但是等GOES-R一旦上天,我们就又会落后一大截。


另外一个选择就是推翻重来,去研制跟GOES-R同样技术水平的产品。经过短暂的犹豫之后项目组决定推翻重来,所以到2017年的今天才能看到刚才那个14个通道的美丽图像。

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建设风云四号有哪些难题?

但大家可能还是要问,做一台载荷而已,一台拍地球的照相机而已,为什么要做这么长的时间,它有那么难吗?下面就举两个例子来跟大家讲一讲这个技术难在哪里。

先看风云二号的卫星,它采用了自旋稳定式。前面说到地球静止轨道有一个特点,即它跟地球是同步的,所以在这个轨道上对温度的感觉跟人类对温度的感觉是一样的。

它有一年四季,也有早晚的温差变化,但失去了大气层的保护,这个温度变化会更为剧烈。剧烈到什么程度呢?产品上面的一个测温点显示它最低温在-130度,最高温能到150度,这么一个温度波动是在一天内交替完成的,也就是说它每天要循环这样一个来回。

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风云二号的自旋稳定方式,就是因为它是旋转着看地球的,所以它的温度自己就稳定了,这就是要解决的第一个问题——热的问题


那美国人怎么解决这个问题呢,他们为仪器打造了一个空调房,利用他们高超的温控技术把这个仪器控制在近乎恒温的一个温度状况。

照相机是很娇嫩的,焦距稍微没有调准就离焦了,照片就模糊了。而各种材料都是有热胀冷缩的,在这么大的一个温度变化范围内,热胀冷缩肯定会使照相机产生非常大的离焦。

但是我们国家当时的温控技术还没那么厉害,因为我国的基础科学、基础技术还有基础工业还不够发达,有些硬件生产不出来。那这个时候我们只能另辟蹊径了,就是让照相机能够适应更大范围的温差,我们把光学系统做到能够适应30度的温差,这样就降低了对温控技术的要求。

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但要解决这个问题缺少了一种材料。在一次学术报告会中,我们无意中听到有一位大学老师,他们研制出一种新型材料,这种材料的各种特性正好是符合要建的能够适应大温差的光学系统的需要,所以我们就去找他,希望能用上这种材料

但是第一次见面之后我们就很失望,为什么呢?因为这个材料的性能虽然好,但是它的加工工艺还停留在加工圆盘、圆筒上,而我们要制造的是结构非常复杂,精度达到0.01毫米的产品。

还好我们双方都没有放弃,我们帮助他们改进了各种工艺。第一个产品用的是粘接的方法,但经过七八年的努力,最后出来的产品已经是一体化成型了。

做技术就像搭积木,这些积木就是国家基础。有些我们可以直接拿来用,有些需要我们创造出来,这就是我们在这个行业里往前推进了一步的积木,后面的人如果设计的时候想要利用这种材料的话,就不需要再摸索了,完全可以直接利用我们的加工工艺。

拍照片的另外一个关键就是要稳。在36000公里这么远的地方拍照片,将是真正的“差之毫厘,谬以千里”。举个例子,如果相机偏了一个角分的话,地球上就偏了十公里。


所以这个时候就需要针对需要创新一套精密的扫描控制技术方案,这套方案出来之后,就需要一个高精度角度传感器。

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经过辗转调研,我们找到常州一位老先生,他有可能掌握这种技术,如上图。

这位老先生比较传奇,他曾经是一家大型机床生产厂家的研发人员,当时他申请国家课题做了这方面的研究,研制出了世界上一流水平的角度传感器,但可惜的是有一天他发现他研制的传感器被厂里误当成废品给卖出去了,小孩子们拿着这个东西在地上滚着玩,他十分伤心,退休以后他就带着自己的侄子女婿,一个小型的家族企业继续他的研究。

但是大家也知道,对于一个小企业来说,想要做科研无疑是天方夜谭,资金从哪里来?设备从哪里来?

正好我们在这个时候找到了他,当时陈先生已经年近70岁了,他欣然答应了我们的合作。我们给他们提供实验设备,他就帮我们研制这个高精度的传感器。


这个过程中我们一起解决了传感器的真空适应性问题,还解决了其他的一系列问题,到今天他研制的角度传感器已经在四台载荷上面同时上天应用了。

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说到这里我想说的是什么,大家应该明白了。

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谢谢大家。

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