巡天观雨有“双睛”——我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达诞生记
【创新故事】
◎本报记者 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。
“双管齐下”造雷达
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所科研人员开始搜集材料，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。
千方百计做“标尺”
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，大多数无功而返。
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。
明察秋毫“辨”雨情
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！”