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界面新聞記者 | 楊舒鴻吉

2018年5月9日，中國成功發(fā)射世界首顆陸地大氣綜合觀測高分五號高光譜觀測衛(wèi)星，標(biāo)志著我國空間光譜遙感技術(shù)進(jìn)入了高定量化應(yīng)用時(shí)代，開創(chuàng)了星載高光譜技術(shù)的新紀(jì)元。

這顆搭載寬譜寬幅高光譜相機(jī)(AHSI)的衛(wèi)星，在太空700公里高度以每秒7公里的速度，同時(shí)獲取地表330個(gè)光譜通道數(shù)據(jù)，相當(dāng)于一臺相機(jī)完成2000臺傳統(tǒng)光譜儀的數(shù)據(jù)采集能力，為我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、資源勘查以及應(yīng)對氣候變化等提供了強(qiáng)大支撐。

2024年5月23日上午，由上海市委網(wǎng)信辦、上海市科技工作黨委聯(lián)合主辦的“策源之力”媒體行走進(jìn)中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所。解密這臺在上海誕生的，全球最先進(jìn)星載可見短波紅外波段高光譜相機(jī)誕生的背后。

2000年美國發(fā)射國際首臺EO-1/Hyperion星載高光譜相機(jī)，在國際上引起轟動，也引發(fā)了國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。2003年，上海市科委啟明星計(jì)劃率先支持了這一研究工作。

彼時(shí)，在技術(shù)落后10年的條件下，上海年輕科研工作者通過多年潛心研究，首先探索出了凸面光柵分光技術(shù)體制這條道路。

“現(xiàn)在看來這個(gè)選擇是正確的，該技術(shù)體制已成為國際主流。隨著技術(shù)發(fā)展，國際上各個(gè)航天大國形成一種共識，把“兩寬（寬譜寬幅）五高（高光譜、高空間、高輻射分辨率，高靈敏、高精準(zhǔn)測量）作為發(fā)展目標(biāo)”，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所劉銀年表示。

然而當(dāng)時(shí)國際上沒有成熟的“兩寬五高”技術(shù)路徑可借鑒，需要另辟蹊徑。

2008年，國家863計(jì)劃支持由行業(yè)用戶、衛(wèi)星總體和相機(jī)載荷組成的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面向國家資源探測和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重大需求，開展“兩寬五高”高光譜成像技術(shù)的系統(tǒng)研究工作，打破了過去一直模仿跟蹤國外的模式，提出了我國自主的指標(biāo)體系。

“相較歐美同時(shí)期發(fā)展的技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性，幅寬大1倍，譜段數(shù)多出近百個(gè)，信噪比最高。”劉銀年告訴記者，“其技術(shù)難度，相當(dāng)于在幾公里之外，一秒鐘內(nèi)準(zhǔn)確分辨出百萬個(gè)粒米大小物體上的幾百種顏色?！?

總體來說，要達(dá)到這一目標(biāo)，需要完成三大部分的攻關(guān)，包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器部件及產(chǎn)品工程化。

光學(xué)系統(tǒng)上，經(jīng)過近十載艱難探索，團(tuán)隊(duì)提出了像面倍增遠(yuǎn)心調(diào)控與視場分離相結(jié)合的新方法，實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡各視場光錐垂直匯聚遠(yuǎn)心成像，相較于國際同類產(chǎn)品，信號收集能力提升6倍；同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還提出了可有效克服大視場光譜畸變的物像雙遠(yuǎn)心光譜儀新結(jié)構(gòu)，破解了傳統(tǒng)光譜儀視場做不長、拓不寬的“頑疾”。

光電探測器方面，我國長期受到歐美技術(shù)封鎖，自主研發(fā)是唯一的出路。團(tuán)隊(duì)通過對高光譜成像特點(diǎn)和探測器光電轉(zhuǎn)換理論的深入理解，創(chuàng)新攻克微米尺度探測器材料組分梯度分布和探測器耗盡區(qū)和表面納米級精準(zhǔn)隔離等關(guān)鍵技術(shù)，研制出我國自主的“寬譜高靈敏圖譜識別高端三代高光譜專用紅外探測器”，實(shí)現(xiàn)了彎道超車。

如何將高光譜慧眼打造成為萬無一失的航天產(chǎn)品是擺在團(tuán)隊(duì)面前的最后一道攔路虎。團(tuán)隊(duì)聚焦產(chǎn)品工程化，經(jīng)過多年的技術(shù)和工藝上的反復(fù)打磨，先后通過了相機(jī)力學(xué)、熱真空、熱平衡、真空定標(biāo)、EMC、磁及整星力學(xué)、熱真空等多項(xiàng)航天產(chǎn)品的嚴(yán)苛試驗(yàn)考核。整個(gè)研制過程形成了五千多份技術(shù)報(bào)告和四萬多份圖紙。

經(jīng)過近二十年艱苦探索，最終在國際上率先突破了”兩寬五高"（寬譜、寬幅、高光譜、高空間、高輻射分辨率）的核心技術(shù)瓶頸，研制成功國際首臺寬譜寬幅高光譜相機(jī)，在軌實(shí)現(xiàn)了卓越性能，引起國際同行廣泛關(guān)注。

“這臺頂尖儀器通過采用多項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了卓越性能。"美國NASA"SNOOPI"計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人評價(jià)道。與此同時(shí)，這一成果于2023年被列入《上海市建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心“十四五”規(guī)劃》中"科技創(chuàng)新行動計(jì)劃"的重點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

從落后國外10年到技術(shù)指標(biāo)大幅領(lǐng)先國外同期，團(tuán)隊(duì)用20年光陰回報(bào)上?？萍迹且活w“啟明星”冉冉升起，成為了當(dāng)之無愧的“中國太空慧眼”。

時(shí)至今日，已有4臺同類型高光譜相機(jī)在太空工作。在礦產(chǎn)資源調(diào)查方面，與此前依賴國外多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比，礦物種類和蝕變組合識別結(jié)果從10余種提高到40余種，正確率超過90%，大幅縮短了找礦勘探周期。在碳排放監(jiān)測領(lǐng)域，這一成果被視為“下一代甲烷監(jiān)測的代表性儀器”，有力支撐了我國"碳達(dá)峰"重大戰(zhàn)略的實(shí)施。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，60公里寬的掃描范圍能夠一次全覆蓋太湖等大型水體，精準(zhǔn)獲取葉綠素、懸浮物、透明度等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，為水體污染的早期治理提供有力支撐。在自然資源調(diào)查方面，實(shí)現(xiàn)全國黑土地質(zhì)量遙感調(diào)查，有機(jī)質(zhì)、砂粒等參量監(jiān)測精度比國外衛(wèi)星高出一倍，為保護(hù)性耕作和耕地質(zhì)量評定提供了科技支撐。

國際上，這一成果已經(jīng)在聯(lián)合國氣候變化大會COP28中引發(fā)同行關(guān)注，在美國斯坦福大學(xué)組織的全球甲烷排放單盲實(shí)驗(yàn)中，與國外同類儀器”同臺競技"，取得了遠(yuǎn)超國外一個(gè)數(shù)量級的監(jiān)測結(jié)果。歐洲航天局等國際同行紛紛向中國政府提出數(shù)據(jù)共享請求，并與中國組織專家共同應(yīng)用這一寶貴數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了中國航天技術(shù)在"一帶一路"的貢獻(xiàn)。

2022年，由該團(tuán)隊(duì)研制的產(chǎn)品，在中東國家高光譜商業(yè)衛(wèi)星國際競標(biāo)中，于國際6家單位中脫穎而出，首次實(shí)現(xiàn)星載高光譜相機(jī)出口，搶占國際商業(yè)衛(wèi)星行業(yè)市場。

“這項(xiàng)生根于上海、發(fā)展于上海、成就于上海的先進(jìn)技術(shù)，未來將進(jìn)一步服務(wù)上海商業(yè)航天新業(yè)態(tài)建設(shè)，持續(xù)助力上海市建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心?！眲y年表示。