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，標志著我國空間光譜遙感技術進入了高定量化應用時代，開創(chuàng)了星載高光譜技術的新紀元。
這顆搭載寬譜寬幅高光譜相機(AHSI)的衛(wèi)星，在太空700公里高度以每秒7公里的速度，同時獲取地表330個光譜通道數(shù)據(jù)，相當于一臺相機完成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、資源勘查以及應對氣候變化等提供了強大支撐。
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”媒體行走進中國科學院上海技術物理研究所。解密這臺在上海誕生的，全球最先進星載可見短波紅外波段高光譜相機誕生的背后。
2000年美國發(fā)射國際首臺EO-1/Hyperion星載高光譜相機，在國際上引起轟動，也引發(fā)了國內(nèi)該領域?qū)＜业年P注。2003年，上海市科委啟明星計劃率先支持了這一研究工作。
彼時，在技術落后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體制這條道路。
“現(xiàn)在看來這個選擇是正確的，該技術體制已成為國際主流。隨著技術發(fā)展，國際上各個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、高精準測量）作為發(fā)展目標”，項目負責人，中國科學院上海技術物理研究所劉銀年表示。
然而當時國際上沒有成熟的“兩寬五高”技術路徑可借鑒，需要另辟蹊徑。
2008年，國家863計劃支持由行業(yè)用戶、衛(wèi)星總體和相機載荷組成的項目團隊面向國家資源探測和生態(tài)環(huán)境保護的重大需求，開展“兩寬五高”高光譜成像技術的系統(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體系。
“相較歐美同時期發(fā)展的技術更具有挑戰(zhàn)性，幅寬大1倍，譜段數(shù)多出近百個，信噪比最高?！眲y年告訴記者，“其技術難度，相當于在幾公里之外，一秒鐘內(nèi)準確分辨出百萬個粒米大小物體上的幾百種顏色。”
總體來說，要達到這一目標，需要完成三大部分的攻關，包括光學系統(tǒng)、光電探測器部件及產(chǎn)品工程化。
光學系統(tǒng)上，經(jīng)過近十載艱難探索，團隊提出了像面倍增遠心調(diào)控與視場分離相結合的新方法，實現(xiàn)了望遠鏡各視場光錐垂直匯聚遠心成像，相較于國際同類產(chǎn)品，信號收集能力提升6倍；同時，團隊還提出了可有效克服大視場光譜畸變的物像雙遠心光譜儀新結構，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封鎖，自主研發(fā)是唯一的出路。團隊通過對高光譜成像特點和探測器光電轉換理論的深入理解，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)和表面納米級精準隔離等關鍵技術，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)品是擺在團隊面前的最后一道攔路虎。團隊聚焦產(chǎn)品工程化，經(jīng)過多年的技術和工藝上的反復打磨，先后通過了相機力學、熱真空、熱平衡、真空定標、EMC、磁及整星力學、熱真空等多項航天產(chǎn)品的嚴苛試驗考核。整個研制過程形成了五千多份技術報告和四萬多份圖紙。
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）的核心技術瓶頸，研制成功國際首臺寬譜寬幅高光譜相機，在軌實現(xiàn)了卓越性能，引起國際同行廣泛關注。
“這臺頂尖儀器通過采用多項新技術實現(xiàn)了卓越性能。"美國NASA"SNOOPI"計劃項目負責人評價道。與此同時，這一成果于2023年被列入《上海市建設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)新行動計劃"的重點技術標準項目。
從落后國外10年到技術指標大幅領先國外同期，團隊用20年光陰回報上?？萍?，那一顆“啟明星”冉冉升起，成為了當之無愧的“中國太空慧眼”。
時至今日，已有4臺同類型高光譜相機在太空工作。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"碳達峰"重大戰(zhàn)略的實施。
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，精準獲取葉綠素、懸浮物、透明度等關鍵水質(zhì)指標，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，實現(xiàn)全國黑土地質(zhì)量遙感調(diào)查，有機質(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)同行關注，在美國斯坦福大學組織的全球甲烷排放單盲實驗中，與國外同類儀器”同臺競技"，取得了遠超國外一個數(shù)量級的監(jiān)測結果。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用這一寶貴數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了中國航天技術在"一帶一路"的貢獻。
2022年，由該團隊研制的產(chǎn)品，在中東國家高光譜商業(yè)衛(wèi)星國際競標中，于國際6家單位中脫穎而出，首次實現(xiàn)星載高光譜相機出口，搶占國際商業(yè)衛(wèi)星行業(yè)市場。
“這項生根于上海、發(fā)展于上海、成就于上海的先進技術，未來將進一步服務上海商業(yè)航天新業(yè)態(tài)建設，持續(xù)助力上海市建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心?！眲y年表示。