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航天科技九院704所星载激光雷达研制侧记
 
 
 

8月4日,世界首颗森林碳汇主被动联合观测遥感卫星——陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”成功发射。在这颗卫星上,中国航天科技集团有限公司九院704所研制的多波束激光雷达作为主要载荷发挥着重要作用。

早在十几年前,704所就开始牵头论证以探测大气环境为主的星载激光雷达的技术方案。但当时,国内还没有人做过相关的技术攻关。想要打赢这场仗,主战场在哪,终点长什么样,他们都不知道,只能一边奔跑一边摸索。

做最先进的星载激光雷达

2009年,刚从国外学习回来的704所研发中心19室主任赵一鸣带领团队率先开展星载主动载荷的研究。

“我们要做世界上最先进的星载激光雷达。”赵一鸣说,“无论是技术指标还是产品设计寿命,都要迈出一大步。”

研制一个新兴的主动遥感探测工具,需要先后攻克激光雷达总体技术、高精度收发光轴匹配、高精度偏振探测、微弱信号高信噪比大动态探测等技术,弥补传统被动遥感器在垂直剖面观测上的空白。

除此之外,卫星平台对激光雷达的使用寿命提出新的要求,需要它在轨稳定工作8年,然而当时欧美的星载激光雷达设计寿命最多也只有3.5年。

面对各方面的高要求,704所项目团队探测技术负责人李飞根据卫星激光雷达载荷设计,开始进行缩比样机研制工作。团队针对不同目标完成了多次挂飞试验。

2014年8月,机载气溶胶云探测激光雷达搭载起飞,在距地3600米的高空中,观测着城镇、海陆分界区及海面,并在飞行路径上拍摄了大气状态照片,得出不同航次定标航线大气变化距离修正信号时空演化图,共获取5个架次的飞行数据。

通过多架次、多区域的飞行与验证,激光雷达设备稳定,验证了各项性能指标的科学合理性,正如指向调整技术负责人周树春所说:“我们获得了大量可靠的测量数据,为星载激光雷达的试样研制奠定了技术基础和数据保障。”

多次挂飞试验成功后,星载激光雷达主动探测技术工程正式立项。

踏着星光来,踏着星光走

接下来,团队需要进行的是关键技术攻关,研制人员花了大量时间思考如何研制出一台符合要求的激光器。

摆在他们面前的有两大难题,首先是激光器的寿命问题。星载激光器要求发射升空后满足8年的在轨使用需求,同时要能够发射10亿个脉冲,这对激光器的研制提出了极高的要求。

“我们需要将一台激光器摆放在密闭空间中,连续不断发射激光脉冲,测试激光器的性能参数。”激光器技术负责人李静介绍。

激光器稳定工作一年左右后,能量突然开始下降,距离发射10亿个脉冲的目标还差很远。这意味着激光器的设计制造环节出现了问题。

赵一鸣当时做了一个大胆的决定——从激光器的材料筛选、工艺试验、调试测试到环境试验,全部推翻重来。

历经反复研究、论证和不断的重复试验、测试后,他们终于解决了问题,确保激光器长寿命运行。

第二大难题是如何适应太空高真空等特殊环境的要求。激光器须长期处于高真空环境,环境温度变化范围比较大,且很多材料在真空中的特性各不相同。在研制过程中,激光器技术人员周永升提出“从热设计、结构设计、光路设计等方面对每个元件进行多重测试”,以达到激光器能够在太空中正常运行的目标。

经历了无数次的失败、反复、测试和试验后,团队最终攻克了激光器热、稳、高可靠的关键技术,成功自主研制了星载长寿命双波长激光器,并实现了技术和工艺的自主创新。

“在密闭的实验室中,无法分辨白天夜晚,每一次测试大家都是踏着星光来,踏着星光走。”激光雷达主任设计师潘超说。在点点星光的陪伴下,704所团队终于让“中国造”星载激光雷达走上了星光路。(邓雨楠)


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