界面新闻记者 |
2018年5月9日，中国成功发射世界首颗陆地大气综合观测高分五号高光谱观测卫星，标志着我国空间光谱遥感技术进入了高定量化应用时代，开创了星载高光谱技术的新纪元。
这颗搭载宽谱宽幅高光谱相机(AHSI)的卫星，在太空700公里高度以每秒7公里的速度，同时获取地表330个光谱通道数据，相当于一台相机完成2000台传统光谱仪的数据采集能力，为我国生态环境监测、资源勘查以及应对气候变化等提供了强大支撑。
2024年5月23日上午，由上海市委网信办、上海市科技工作党委联合主办的“策源之力”媒体行走进中国科学院上海技术物理研究所。解密这台在上海诞生的，全球最先进星载可见短波红外波段高光谱相机诞生的背后。
2000年美国发射国际首台EO-1/Hyperion星载高光谱相机，在国际上引起轰动，也引发了国内该领域专家的关注。2003年，上海市科委启明星计划率先支持了这一研究工作。
彼时，在技术落后10年的条件下，上海年轻科研工作者通过多年潜心研究，首先探索出了凸面光栅分光技术体制这条道路。
“现在看来这个选择是正确的，该技术体制已成为国际主流。随着技术发展，国际上各个航天大国形成一种共识，把“两宽（宽谱宽幅）五高（高光谱、高空间、高辐射分辨率，高灵敏、高精准测量）作为发展目标”，项目负责人，中国科学院上海技术物理研究所刘银年表示。
然而当时国际上没有成熟的“两宽五高”技术路径可借鉴，需要另辟蹊径。
2008年，国家863计划支持由行业用户、卫星总体和相机载荷组成的项目团队面向国家资源探测和生态环境保护的重大需求，开展“两宽五高”高光谱成像技术的系统研究工作，打破了过去一直模仿跟踪国外的模式，提出了我国自主的指标体系。
“相较欧美同时期发展的技术更具有挑战性，幅宽大1倍，谱段数多出近百个，信噪比最高。”刘银年告诉记者，“其技术难度，相当于在几公里之外，一秒钟内准确分辨出百万个粒米大小物体上的几百种颜色。”
总体来说，要达到这一目标，需要完成三大部分的攻关，包括光学系统、光电探测器部件及产品工程化。
光学系统上，经过近十载艰难探索，团队提出了像面倍增远心调控与视场分离相结合的新方法，实现了望远镜各视场光锥垂直汇聚远心成像，相较于国际同类产品，信号收集能力提升6倍；同时，团队还提出了可有效克服大视场光谱畸变的物像双远心光谱仪新结构，破解了传统光谱仪视场做不长、拓不宽的“顽疾”。
光电探测器方面，我国长期受到欧美技术封锁，自主研发是唯一的出路。团队通过对高光谱成像特点和探测器光电转换理论的深入理解，创新攻克微米尺度探测器材料组分梯度分布和探测器耗尽区和表面纳米级精准隔离等关键技术，研制出我国自主的“宽谱高灵敏图谱识别高端三代高光谱专用红外探测器”，实现了弯道超车。
如何将高光谱慧眼打造成为万无一失的航天产品是摆在团队面前的最后一道拦路虎。团队聚焦产品工程化，经过多年的技术和工艺上的反复打磨，先后通过了相机力学、热真空、热平衡、真空定标、EMC、磁及整星力学、热真空等多项航天产品的严苛试验考核。整个研制过程形成了五千多份技术报告和四万多份图纸。
经过近二十年艰苦探索，最终在国际上率先突破了”两宽五高"（宽谱、宽幅、高光谱、高空间、高辐射分辨率）的核心技术瓶颈，研制成功国际首台宽谱宽幅高光谱相机，在轨实现了卓越性能，引起国际同行广泛关注。
“这台顶尖仪器通过采用多项新技术实现了卓越性能。"美国NASA"SNOOPI"计划项目负责人评价道。与此同时，这一成果于2023年被列入《上海市建设具有全球影响力的科技创新中心“十四五”规划》中"科技创新行动计划"的重点技术标准项目。
从落后国外10年到技术指标大幅领先国外同期，团队用20年光阴回报上海科技，那一颗“启明星”冉冉升起，成为了当之无愧的“中国太空慧眼”。
时至今日，已有4台同类型高光谱相机在太空工作。在矿产资源调查方面，与此前依赖国外多光谱卫星数据相比，矿物种类和蚀变组合识别结果从10余种提高到40余种，正确率超过90%，大幅缩短了找矿勘探周期。在碳排放监测领域，这一成果被视为“下一代甲烷监测的代表性仪器”，有力支撑了我国"碳达峰"重大战略的实施。
在生态环境监测中，60公里宽的扫描范围能够一次全覆盖太湖等大型水体，精准获取叶绿素、悬浮物、透明度等关键水质指标，为水体污染的早期治理提供有力支撑。在自然资源调查方面，实现全国黑土地质量遥感调查，有机质、砂粒等参量监测精度比国外卫星高出一倍，为保护性耕作和耕地质量评定提供了科技支撑。
国际上，这一成果已经在联合国气候变化大会COP28中引发同行关注，在美国斯坦福大学组织的全球甲烷排放单盲实验中，与国外同类仪器”同台竞技"，取得了远超国外一个数量级的监测结果。欧洲航天局等国际同行纷纷向中国政府提出数据共享请求，并与中国组织专家共同应用这一宝贵数据，体现了中国航天技术在"一带一路"的贡献。
2022年，由该团队研制的产品，在中东国家高光谱商业卫星国际竞标中，于国际6家单位中脱颖而出，首次实现星载高光谱相机出口，抢占国际商业卫星行业市场。
“这项生根于上海、发展于上海、成就于上海的先进技术，未来将进一步服务上海商业航天新业态建设，持续助力上海市建设具有全球影响力的科技创新中心。”刘银年表示。
