他們為我國首顆海洋鹽度探測衛星裝上“利器”

人人都知道海水是咸的，那么在覆蓋占地球面積70%的海洋里，不同位置的海水會一樣咸嗎？要回答這個問題，最簡單的方式就是用遙感衛星去“看”。然而，這件說起來簡單的事，卻困擾了科技界很多年。

11月14日，我國首顆專門探測海水鹽度的衛星成功發射升空。當天凌晨4點，作為海洋鹽度探測衛星（以下簡稱鹽度星）主被動微波探測儀的負責人，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）研究員劉浩攜團隊早早地抵達發射現場。

現場目睹火箭升空之后，劉浩迅速回到技術區，盯著電腦屏幕顯示的遙測數據。數據顯示，主被動微波探測儀的反射面天線在入軌后不久逐步展開到位。劉浩長舒一口氣：“成了！”

他帶著團隊自主研制17年的新型載荷，總算從想法變成了現實。

海洋鹽度探測衛星在軌示意圖。中國空間技術研究院遙感衛星總體部供圖

“將來我們國家可能會需要這項技術”

海洋鹽度的高低，會影響到海水的密度，進而驅動大洋環流。同時，它也能顯示出全球氣候變化及全球水循環變化，是“天然的雨量計”。正因如此，探測海洋鹽度一直是國際科學界的期待。

海洋面積覆蓋廣，要想知道全球海洋鹽度的時空分布情況，最便捷的方式是用遙感衛星。而遙感衛星的“眼睛”，就是能獲取海面微波輻射亮溫數據的微波輻射計。

測量海洋鹽度的衛星對微波輻射計的要求極高。“舌頭都嘗不出來的細微差別，衛星卻要通過微波輻射計從天上辨別出來。假設衛星探測鹽度的的精度要達到0.1個實用鹽度標準（psu），就相當于微波輻射計要能分辨1千克海水中含有35克鹽還是34.9克鹽。”劉浩說。

不僅如此，微波輻射計的觀測還面臨著風浪、溫度、地面微波信號等干擾。“刮風時平靜的海面就變得粗糙，海水的溫度時刻變化，這些都會使海面的微波輻射不停地變動。而且，地面的通信雷達等信號也會對輻射計產生干擾。”劉浩說。

正因為難度大，從全世界范圍來看，海洋鹽度的遙感測量技術，幾乎都是海洋動力遙感測量中最后一個被解決的技術難題。“大家都是先解決海洋溫度、海面風場、海面高度等遙感測量技術，最后考慮怎么解決鹽度的遙感探測問題。”劉浩說。

2006年，在歐洲空間局（ESA，簡稱歐空局）訪學的劉浩深度了解了歐空局正在研制的土壤水分和海洋鹽度衛星（SMOS）。彼時，SMOS團隊正在攻關對鹽度輻射敏感度最高的L波段輻射計。與此同時，美國也開啟了L波段輻射計相關預研工作。

那一刻，劉浩意識到“將來我們國家可能會需要這項技術，我們得往前走一步”。

2007年，劉浩回到空間中心，立即向中國科學院提出項目申請。在中國科學院的支持下，他們以40萬經費為基礎，開始了“L波段干涉式綜合孔徑輻射計”關鍵技術研究，目標是研制出能穩定、高精度探測出海洋鹽度變化的輻射計。

揭榜走出新路線

劉浩對國家需求的預判是對的。

2011年，國家相關部委開始組織海洋鹽度探測載荷的預先研究，發布了“主被動聯合探測鹽度計預先研究”項目申報指南（以下簡稱指南）。此時，歐洲于2009年發射的SMOS衛星沒能達到預期的0.1psu的探測精度，美國在2011年發射的寶瓶座（Aquarius）衛星也存在空間分辨率及視場幅寬偏低的問題。

有了此前的技術積累，劉浩團隊主動揭榜。在項目申請書中，他們詳細分析了歐美衛星的優缺點，提出了一種綜合了雙方優點又與二者皆不相同的新技術路線。

SMOS衛星任務采用的是二維綜合孔徑輻射計技術，用諸多的小型接收天線來替代傳統的大孔徑天線，通過小天線之間的兩兩組合干涉測量形成虛擬的大天線口面，無需機械掃描就能獲得高分辨率、寬視場成像。美國Aquarius則采用了相對保守的大孔徑天線技術體制，同時加入了同頻段的主動遙感手段，以校正海面粗糙度的影響。

劉浩團隊設計的輻射計將綜合孔徑技術和大孔徑天線結合起來，在利用綜合孔徑技術實現高分辨率、寬視場成像的同時，利用大孔徑反射面保證了輻射計具有足夠的分辨鹽度變化的靈敏度，并且可以同時兼容多頻主被動的探測。

“這是一種全新的解題思路，我們相信能實現指南提出的目標。”劉浩說。

2015年，按照設計思路，劉浩團隊順利突破關鍵技術，達到指南提出的技術指標，做出原理樣機。

從外觀看，與SMOS衛星探測器的“Y”字型、Aquarius衛星探測器的“大圓盤”都不同，鹽度星的主被動微波探測儀就像是推土機上的“大鏟子”。

被動接收微波輻射信號的饋源系統呈“一”字型排在“大鏟子”斜下方，其上不僅有對鹽度輻射靈敏的L波段微波輻射計，還有對海表溫度等輻射敏感的C、K波段微波輻射計，三種頻段的接收器組成了綜合孔徑輻射計。不僅如此，與輻射計饋源平行排布的還有主動發射微波信號、用于海面粗糙度校正的L波段數字波束形成散射計饋源，由此實現主被動探測技術的結合。

當原理樣機實實在在地出現在空間中心懷柔園區的大院里時，國家也有了關于鹽度星的新規劃。

2015年，我國《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015-2025年）》（以下簡稱規劃）中提到，要“創新觀測體制和技術，填補高軌微波觀測、激光測量、重力測量、干涉測量、海洋鹽度探測、高精度大氣成分探測等技術空白”，并將“海洋鹽度探測”列為“遙感衛星科研任務”之一。

看到規劃的那一刻，劉浩知道，儲備了這么多年的技術，終于到了一顯身手的時候。

“我們的載荷正飛著呢”

2020年，鹽度星正式批復立項。劉浩團隊的技術儲備得到了評審專家的認可。也正是從那時開始，劉浩切身體會到航天任務與科研探索之間的本質不同。

科研探索允許不確定性，但航天任務不行。“研制出原理樣機后，我們發現，作為一個idea（想法），它是可行的，但是，當它進入工程型號階段，要做成真實載荷時，我們必須保證所有細節都是確定的。”劉浩說。

對于劉浩團隊來說，“全新的載荷”意味著“巨大的工作量”。他們和衛星工程團隊一起，把系統層面、分系統層面、單機層面等所有環節全部“掰碎”，一步步給出技術準確無誤的實驗論據。

“每個技術環節不是我認為‘可以’就可以，我們必須用一系列數據和實驗來驗證。”劉浩說。

僅輻射計的標定工作，就曾讓他們絞盡腦汁。他們設計的主被動微波探測儀，系統復雜度史無前例的“高”——輻射計有3個頻段、56個接收通道，散射計有10個收發通道。相比而言，SMOS衛星只有單個頻段、69個接收通道，Aquarius衛星也只有單個頻段、3個輻射計接收通道和3個散射計收發通道。

“載荷在軌運行要想實現高穩定觀測，就要每10毫秒對接收機做一次定標。”劉浩說，輻射計上設計了內部定標源，接收機需要在星上開關的控制下，不停地切換狀態，一會兒要接受定標源的標定，一會兒又要接收海洋鹽度輻射，而且接收輻射信號時還不能收到內部定標源的信號干擾。

為了驗證輻射計內部定標源和定標系統的可靠性和穩定性，團隊設計了專門用來檢驗定標系統的熱真空定標試驗系統。將除了反射面天線之外的整個載荷和兩個亮度溫度不同的定標源放進了大型真空罐，并且為定標源加上滑動軌道。這樣，定標源就可以滑動著為每一個輻射計饋源通道進行定標。

整個載荷在真空罐模擬的真實在軌環境下穩定運行了半個月。劉浩帶著團隊24小時連軸轉，終于趕在計劃節點前完成了多項定標測試，獲取了載荷發射在軌后進行數據處理所需要的定標參數。

海洋鹽度探測衛星主被動微波探測儀團隊。空間中心供圖

11月14日早晨，當劉浩目送鹽度星升空時，工程研制過程中的一幕幕在他的腦海中閃動。在發射場技術區，他看著反射面一層層打開，懸著的心終于放下了。

當天，他給在歐空局工作的好友、SMOS計劃載荷總工程師曼努埃爾·馬丁內拉（Manuel Martin-Neira）發了一封郵件：“中國鹽度星發射成功了！”

曼努埃爾在回復給劉浩的郵件中評價：“據我所知，主被動微波探測儀將是全球第一個在軌運行的多頻段干涉式綜合孔徑微波輻射計。我為你們感到驕傲！”

11月17日，主被動微波探測儀載荷正式開機。18日下傳的數據顯示，載荷工作穩定，原始數據質量良好。

如今，劉浩團隊正在抓緊時間進行載荷的在軌調試，預計2025年初夏向用戶交付。每天，從空間中心懷柔園區回中關村的路上，劉浩時不時會透過通勤班車的車窗望向天空。他有了一種別樣的感受：“天上，我們的載荷正飛著呢！”