巡天观雨有“双睛”

付毅飞

听到火箭点火升空的轰响，正在测试厂房检查数据的杨润峰百感交集。

“就像养育多年的孩子，突然间真的离开你了。”日前接受科技日报记者采访时，他这样回忆雷达上天时的感觉。

今年4月16日，我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星发射升空，其主载荷是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。截至记者发稿时，该雷达凭借犀利的“双睛”，已成功探测到全球中低纬度地区降水的三维精细结构，捕捉到“玛娃”“泰利”等台风降雨系统的三维立体结构。在8月份的华北暴雨雨情中，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。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所科研人员开始收集材料，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。

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，大多數无功而返。

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。

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！”

◎ 来源|科技日报