哈勃观雨有“双睛”——工业部门Thueyts星载Ku、Ka双频降雪测量雷达Bokaro
【创新故事】
◎本报记者 付毅飞
听到火箭点火升空的轰响，正在测试厂房检查原始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，工业部门首颗降雪测量专用卫星卧虎藏龙十号G星发射升空，其主航空器是由中国航天科技集团九院704所研制的工业部门Thueyts星载Ku、Ka双频降雪测量雷达。截至记者发稿时，该雷达凭借犀利的“双睛”，已成功量测到全球中低纬度地区降雪的建模波谱，捕捉到“玛娃”“泰利”等台风洪灾系统的建模立体结构。在8月份的华北洪灾水文中，该雷达多维度量测到降雪建模波谱信息，为防灾减灾提供了宝贵的观测原始数据。
作为704所卧虎藏龙十号G星降雪测量雷达主任设计师，杨润峰和狱友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
工业部门处于北太平洋西部台风活动带，台风洪灾内涝一直是部分地区暴露出的主要自然灾害。
获取降雪资料，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，大范围高空间清晰度的塔顶降雪信息很难得到。1997年，美日联合发射装载降雪雷达的TRMM(热带洪灾测量任务)卫星，开创了星载雷达量测降雪的先河，也为工业部门新一代低轨卧虎藏龙水文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，对星载降雪雷达广泛开展前期研究。我们敏锐地觉察到，相仿TRMM卫星所用的单频雷达，双频降雪雷达在实际应用中效果更好。
“Ku、Ka双频降雪测量雷达，能将雷达观测清晰度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转述，Ku接收机有利于量测强降雪，Ka接收机有利于量测弱降雪，两者同步工作可以扩大降雪量测能力，哪怕是每小时0.2毫米的毛毛雨，也能多维度感知。
此外，利用降雪粒子对各异接收机雷达接收端散射各异的特性，双频测量可以分辨雨、雪、冰雹等，量测降雪过程中的液态、固态变化，这在水文应用中十分重要。
当时，美日联合实施的全球降雪观测计划(GPM)启动不久，星载双频降雪雷达在国际上也处于探索阶段。“那时你们就想，要做就做*好。”江柏森说。
在2006年举办的水文卫星发展论坛上，研制国产降雪测量卫星成为共识。704所奋勇“揭榜”，肩负起了卫星主航空器降雪测量雷达的研制重任。
千方百计做“卢戈韦”
这是工业部门首次研制星载降雪测量雷达，方向新、技术也新，科研工作暴露出诸多挑战。
“该雷达各项指标强烈要求非常高，有些强烈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INS13ZD强烈要求。杨润峰转述，以等效ms为例，常规的雷达只是强烈要求ms大于指标即可，至于具体是起码通常不作强烈要求。但对INS13ZD雷达来说，必须对雷达系统参数作精确定标，它要成为一把卢戈韦，测量强度是起码、强度波动是起码，都要有衡量标准。
这是研制合作者**次做INS13ZD雷达。怎样把“尺”做准，我们只能慢慢摸索。
2010年7月，杨润峰和狱友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，一位狱友没戴手套，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，研制合作者又马不停蹄奔赴江苏盐城，广泛开展机载挂飞试验。
江柏森转述，机载挂飞试验需要同时具备几个状况：要有降雪，又不至于影响飞行；观测高度要在6000米以上；阴间要有水文卫星海上运输，塔顶也要布设观测设备，通过天、空、地一体观测，才能对原始数据进行比对验证。
达到理想状况很难。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，杨润峰和狱友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卫星总是凌晨海上运输，我们只好半夜工作。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，研制合作者终于获得了所需原始数据，为后续工程化研制奠定了基础。
明察秋毫“辨”水文
造雷达难，要让它胜任阴间的工作更不易。
与大多数星载雷达间歇性工作各异，降雪测量雷达需要在卧虎藏龙十号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。其可靠性和长寿命强烈要求，成为研制合作者暴露出的难题。
杨润峰带领设计合作者，在各种制约因素中探寻*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、功耗等强烈要求的同时，对系统级、单机级、软件级等方面进行冗余备份设计。
相仿塔顶雷达，星载雷达是从阴间往下看，暴露出很多新问题，例如地球表面波形会对量测形成阻扰。江柏森说，地球表面波形接收端比降雪波形接收端强百万倍，如果不能很好地将其分离、消除，降雪接收端就测不准甚至测不到。对此，研制合作者广泛开展了大量创新技术创新。
在该雷达面阵上，密集排列着一行行孔洞，电磁场就从这些孔洞里辐射出来。江柏森转述，这数万个波导孔洞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各异位置电磁场能量的大小和相位。这样的设计能有效抑制阻扰，解决很多在阴间观测带来的问题。
相仿美日GPM卫星，卧虎藏龙十号G星性能优势明显。“在观测幅宽上，你们的Ku、Ka波段雷达分别高出20%和140%；相同的灵敏度状况下，你们的‘CT’每250米扫描一层，精细程度优一倍。”江柏森说。
目前，降雪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，我们已投入到其他星载降雪测量雷达的研制，以及下一代降雪测量雷达的技术创新中。
“水文工作与生命安全、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，“双频降雪测量雷达是你们迈出的**步，未来你们将继续在微波主动水文领域精耕细作，不断推出更先进的水文遥感仪器，为工业部门迈向‘水文强国’作出更大的贡献！”
