1990年 “风云一号”卫星甚高分辨率扫描辐射计研制成功

　　甚高分辨率扫描辐射计是我国“风云一号”极轨气象卫星上的主要遥感仪器，于1988年和1990年两次入轨工作，具有每天一次获取全球可见及红外图像的能力，为天气预报和环境监测提供了新的手段。它是我国第一台业务型卫星光电遥感仪器。20 多年来，中国科学院上海技术物理研究所紧密围绕气象领域和我国大气探测的战略需求，瞄准国际竞争的制高点，突破了诸多关键技术，为我国大气探测技术实现升级换代和逐步超越国际水平作出了重要贡献。

　　中国人自己的气象卫星

　　1960年4月1日美国发射成功世界上第一颗气象卫星“泰罗斯－1”，开创了利用卫星进行气象观测的新途径。我国于20世纪 60 年代末开始用自制设备接收美国卫星过境发送的实时云图资料，在天气预报，特别是台风、寒潮等灾害性天气预报中取得很好的效果。1969 年 1 月 29 日周恩来总理指示：“我们也要搞自己的气象卫星”，并在 1970 年 2 月明确由上海市承担该卫星的研制任务。中央气象局于 1970 年设立“701”办公室， 负责考虑和提出我国极轨气象卫星的要求、卫星资料的接收处理及使用，气象卫星研制工作开始起步。极轨气象卫星的研制需要解决两项基本技术：长寿命卫星平台及卫星遥感仪器。由于红太阳同步轨道外遥感具有不依赖阳光昼夜连续观测以及定量测量目标温度的特点，因此可见红外多波段扫描辐射计成为我国第一颗气象卫星遥感仪器的首选。扫描辐射计是一种光学机械扫描式成像遥感仪器，依靠转轴与飞行方向一致的 450 扫描反射镜的旋转，使光学望远镜的视场作垂直于轨道平面的扫描，借助卫星的绕地飞行，获取地球二维景象，之所以称其为辐射计是因为它能同时测量目标的辐射强度。

　　十年跨三步 达到国际先进水平

　　上海技术物理研究所汤定元，从20世纪70 年代初就系统地收集资料，于1974年编译出版了《红外技术在气象卫星中的应用》一书，对我国气象卫星红外遥感技术的发展起到了启蒙和推动作用。经多年技术准备，48转/分可见红外扫描辐射计的研制工作于 1974 年启动。它有 3 个探测波段：0.58 ～ 0.68 微米、0.725 ～ 1.1 微米、10.5 ～ 12.5 微米，3 个波段的信息组合，可获取昼夜云图、冰雪覆盖、植被分布、水陆分界并测量海面和云顶温度。限于当时红外探测器水平，红外通道使用室温工作的热敏电阻红外探测器，探测率 D* 约 1×108 厘米·赫 1/2·瓦 -1，可见和近红外通道使用 Si 探测器，仪器的扫描速率 48 转 / 分， 可见和红外通道的瞬时视场分别为 4 毫弧度和 8 毫弧度，卫星900 千米高度时的图像地面分辨率为 3.6 千米和 7.2 千米，扫描幅宽约 3000 千米。该仪器样机于 1977 年研制成功，主要技术指标与 1970 年美国刚入轨使用的第二代极轨业务气象卫星“依托斯”上的扫描辐射计一致。

　　鉴于气象卫星平台和扫描辐射计取得的研制进展，1977 年11 月国防科工委在上海召开了气象卫星第一次大总体会议，定名我国第一颗气象卫星为“风云一号”，决定卫星进入工程研制。但研究人员在该卫星用什么样的红外遥感仪器问题上存在不同意见。匡定波先生根据国际气象卫星红外遥感仪器技术发展趋势和我国技术基础，力主采用扫描速率 120 转 / 分、红外通道用碲镉汞探测器，由辐射制冷器冷却的可见红外三通道扫描辐射计作为我国第一颗“风云一号”气象卫星的主要遥感仪器，得到与会者的赞同。

　　三通道 120 转/分扫描辐射计光学系统口径 120 毫米，三个探测波段与原先相同，但瞬时视场均提高到 3.6 毫弧度，可见和近红外通道仍用 Si 探测器，红外通道用碲镉汞探测器。由于当时红外碲镉汞探测器的探测率 D* 仅达到 5×108 厘米· 赫 1/2·瓦 -1，红外通道探测灵敏度为 1.3 开，比任务要求的 1 开稍低。在各方的共同努力下，研制工作进展顺利，于 1979 年完成了工程样机研制并进行了航空飞行试验，获得了一批质量优良的可见和红外图像，证实了该仪器对云和地物目标的优良昼夜观测能力。

　　在120 转 / 分扫描辐射计的研制过程中，方家熊负责研制的碲镉汞红外探测器取得重大进展，1980年，探测率 D* 达到5×109 厘米·赫 1/2·瓦 -1，性能提高约 10 倍，为发展 360 转/ 分甚高分辨率扫描辐射计奠定了基础。仪器光学望远镜的口径扩大到 200 毫米，探测波段仍为 3 个，但瞬时视场提高到 1.2 毫弧度，成像分辨率比 120 转 / 分扫描辐射计提高 3 倍，主要性能与美国 1978 年刚开始使用的第三代业务气象卫星甚高分辨率扫描辐射计大体相同。在工程研制过程中，解决了图像信号数字化和星上图像信息的实时处理，使甚高分辨率扫描辐射计的信息格式与美国气象卫星相同，以便各国已建立的地面接收站能兼容接收我国“风云一号”卫星的图像资料。重点突破了45度旋转扫描镜的长寿命空间润滑、工作温度 105 开空间辐射制冷器、辐射计红外通道的性能检验和辐射定标、仪器的空间及力学环境适应性等关键技术，使三通道甚高分辨率扫描辐射计的性能指标全面达到任务要求。

在真空低温容器中进行红外通道性能检验和辐射定标

空间辐射制冷器

　　具有我国特色的“风云一号”

　　尽管三通道甚高分辨率扫描辐射计的扫描速率、图像地面分辨率、图像信息格式与美国运行的甚高分辨率扫描辐射计相同，但探测通道比美国卫星少 2 个，美国是 5 个，而我们只有3个，按五通道编排的图像信息格式中有2个通道位置空闲。当时的国防科工委同意国家海洋局提出增加 2 个海洋通道的要求，决定第一颗“风云一号”气象卫星按具有 5 个探测通道的甚高分辨率扫描辐射计技术状态发射，使我国气象卫星兼有海洋观测功能，形成我国气象卫星的特色。

　　1988 年 9 月 7 日 04：30，我国第一颗“风云一号”气象卫星用“长征四号”B 火箭在太原卫星发射中心成功发射，获取的可见及近红外图像清晰，层次分明，表明扫描辐射计具有良好的对地观测性能。但红外通道在 1988 年 9 月 19 日开通后出现信号衰减情况，是辐射制冷器携带的地面水汽在红外低温光学部件上凝结所致。

第一颗“风云一号”卫星获取的第一幅云图（1988年9月7日）

第一颗“风云一号”卫星获取的第一幅红外多轨拼图（1988年9月19日）

第一颗“风云一号”卫星获取的台风云系图像（1988年9月13日）

第一颗“风云一号”卫星获取的巴丹吉林沙漠图像（1988年9月10日）

第二颗“风云一号”卫星获取的第一幅彩色合成图像—俄罗斯中亚地区（1988年9月3日）

第二颗“风云一号”卫星记录回放图像—阿拉伯海及波斯湾地区（1988年9月20日）

　　为克服水汽污染的影响，在第二颗“风云一号”卫星扫描辐射计研制中，加强了辐射制冷器在部件制造、装配、试验和运输全过程中的水汽控制，直到卫星发射。1990 年 9 月 3 日第二颗“风云一号”卫星发射入轨后，扫描辐射计的轨道工作始终正常，红外通道的水汽污染得到控制，获得的可见和红外通道的图像质量优良，直到 1992 年卫星废弃。至此，“风云一号”360转/ 分甚高分辨率扫描辐射计的研制任务圆满完成。

　　1991 年 11 月 7 日，中国科学院与航空航天部联合主持了“风云一号”甚高分辨率扫描辐射计鉴定会，认为：一系列技术难题的解决，在国内是开创性的；仪器的总体功能与技术指标达到国际先进水平；仪器设有 2 个海洋观测通道，形成了中国气象卫星的特色；可见及红外图像清晰，生成了多种实用的图像资料，取得了明显的效益；联合国世界气象组织认为，中国“风云一号”气象卫星的成功发射与它的高质量图像，对国际气象事业作出了贡献。

　　1993 年该项成果获国家科学技术进步奖一等奖。

　　不断前行的中国气象研究

　　甚高分辨率扫描辐射计的研制工作持续了近 20 年。期间， 科研团队紧紧跟踪国际气象卫星遥感技术的发展，把握应用需求， 突破技术关键，主动提出提高仪器性能，实现了从 48 转/ 分到120 转/分扫描辐射计，再到三通道360 转/分甚高分辨率扫描辐射计和增加海洋观测通道的技术发展，迅速缩小了与国外的差距，使我国气象卫星扫描辐射计达到国际先进水平。

“风云三号”气象卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪

　　在甚高分辨率扫描辐射计基础上发展的十通道扫描辐射计，分别装载在 1999 年和 2002 年发射的“风云一号”C 星和D 星上入轨业务运行，因卫星工作稳定和遥感仪器性能优良， 2000 年起被联合国世界气象组织列为国际业务卫星，为祖国赢得了荣誉。

　　“风云三号”气象卫星是为满足中国天气预报、气候预测和环境监测等方面迫切需求而建设的新一代极轨气象卫星，其目标是获取地球大气环境的三维、全球、全天候、多光谱、定量、高精度资料。它的升空入轨，标志着我国极轨气象卫星和卫星气象事业成功地实现了技术换代，实现了新的跨越发展。“风云三号”上搭载的扫描辐射计作为卫星业务应用连续观测的有效载荷基本配置，主要任务是获取共 10 个波段的地球二维景象信息，以 1.1 千米分辨率发送、处理并做全球图像记录。

　　除十通道扫描辐射计外，上海技术物理研究所还为“风云三号”卫星业务运行提供了其余 3 台光学遥感仪器，均为我国首次研制，性能已达到并且部分超越当时运行的国际同类产品。如今，“风云三号”D 星已经升空，其上的中分辨率光谱成像仪 Ⅱ型还原了一个最“真实”的地球。相机空间分辨率 250 米，幅宽超过 2800 千米，每天都能将全球“扫”2 遍，可与美国最新发射的极轨气象卫星的成像仪器相媲美。

　　（图文 / 中国科学院上海技术物理研究所）

　　本文摘自《改革开放40年科技成就撷英》，经中国科学技术出版社授权发布