李春來(lái)：研制太空尖端“相機(jī)”

本刊記者 劉 江

李春來(lái)：研制太空尖端“相機(jī)”

本刊記者 劉 江

李春來(lái)

2016年9月15日是中秋節(jié)，在這個(gè)闔家團(tuán)聚的日子里，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射入軌。作為我國(guó)第一個(gè)真正意義上的太空實(shí)驗(yàn)室，天宮二號(hào)上裝備了很多高科技裝置，如寬波段成像光譜儀——一臺(tái)由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)耗8年心血研制而成的太空尖端“相機(jī)”。

作為該團(tuán)隊(duì)的一員，李春來(lái)與有榮焉。

遇到遙感界的一場(chǎng)革命

李春來(lái)是什么人？他是一個(gè)“八零后”，是一個(gè)4歲孩子的父親，還是中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員和碩士生導(dǎo)師。

李春來(lái)如今尚處而立之年，但自2009年博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所以來(lái)，他已經(jīng)先后參與了環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星有效載荷紅外相機(jī)、實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星長(zhǎng)波紅外相機(jī)、嫦娥三號(hào)科學(xué)載荷紅外光譜儀等多個(gè)航天型號(hào)任務(wù)，其參與研發(fā)的“多維精細(xì)超光譜遙感成像探測(cè)技術(shù)”獲得了2011年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。現(xiàn)在的他，是嫦娥四號(hào)科學(xué)載荷紅外成像光譜儀主任設(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)科學(xué)載荷月球礦物光譜分析儀副主任設(shè)計(jì)師和國(guó)家“高分辨率對(duì)地觀測(cè)”重大專項(xiàng)航空載荷“全譜段多模態(tài)成像光譜儀”的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人。

能夠取得以上這些成就，很大程度上得益于李春來(lái)的研究方向。從博士時(shí)期開(kāi)始，他就跟隨我國(guó)著名的成像光譜技術(shù)專家王建宇研究員，針對(duì)空間紅外與高光譜成像技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究工作。李春來(lái)說(shuō)：“高光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)是遙感界的一場(chǎng)革命，它使本來(lái)在寬波段不可探測(cè)的物質(zhì)能夠被探測(cè)，具有重要的戰(zhàn)略意義。在可見(jiàn)光短波紅外波段高光譜遙感迅速發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，我們團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)逐漸放在了如何在熱紅外波段實(shí)現(xiàn)高光譜成像，這對(duì)于在地球觀測(cè)和軍事探測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行高光譜遙感研究具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。”

任何技術(shù)的研究都是為了應(yīng)用，熱紅外高光譜成像技術(shù)也是如此。熱紅外譜段作為地物光譜特征的重要覆蓋區(qū)域和遙感大氣主要的透過(guò)窗口，能夠通過(guò)搭載記載或衛(wèi)星平臺(tái)來(lái)獲取地物的精細(xì)圖像光譜信息，從而有效地識(shí)別地物、分辨目標(biāo)，在地質(zhì)勘測(cè)方面可以發(fā)揮較大作用。同時(shí)，還可以廣泛應(yīng)用于大氣污染探測(cè)、城市環(huán)流分析、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面。

從上個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)始，李春來(lái)所在的研究室就針對(duì)成像光譜技術(shù)開(kāi)展深入研究，并逐漸將其裝載到航空/航天平臺(tái)上去。近幾年，他們將其應(yīng)用到國(guó)家的重大工程項(xiàng)目中，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了一定的作用，特別是在科技領(lǐng)域，其所在的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在國(guó)際上具有一定的知名度。李春來(lái)說(shuō)，基于這些成果，其團(tuán)隊(duì)獲得了2011年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

給月球拍張照

近年來(lái)，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域成果斐然。高分衛(wèi)星系列、嫦娥系列月球探測(cè)器、天宮衛(wèi)星系列等的成功發(fā)射，使我國(guó)地外探測(cè)的水平得到了大幅提升，但也給科研工作者帶來(lái)了更多艱辛的挑戰(zhàn)。

2013年12月14日晚，“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器成功登月，在月表虹灣附近實(shí)施軟著陸。此時(shí)，絕大多數(shù)民眾歡欣鼓舞，而李春來(lái)所在的中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間主動(dòng)光電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中，則彌漫著一股興奮而緊張的氛圍。興奮在于“嫦娥三號(hào)”的成功登月，而緊張則因?yàn)樵虑蛱綔y(cè)器登月只是開(kāi)始，對(duì)他們的考驗(yàn)尚未結(jié)束，遠(yuǎn)不是放松的時(shí)刻。

我國(guó)的探月工程起步較晚，相比發(fā)達(dá)國(guó)家屬于落后的狀態(tài)。探月工程的重點(diǎn)，并不在于登上月球，而在于獲取月球的信息。隨著探月工程的進(jìn)一步深入，對(duì)信息獲取技術(shù)的要求也隨之提高。月球表面反照率低，紅外光譜信號(hào)極其微弱，紅外成像光譜儀難以維持高靈敏度獲取。針對(duì)這一問(wèn)題，李春來(lái)及其科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)了“嫦娥三號(hào)科學(xué)載荷紅外成像光譜儀”項(xiàng)目，突破了凝視型紅外成像光譜儀的微弱光譜信號(hào)獲取等關(guān)鍵技術(shù)。

2013年12月23日北京時(shí)間上午10時(shí)10分，紅外成像光譜儀月面首次開(kāi)機(jī)，順次完成探測(cè)及定標(biāo)模式在軌測(cè)試，這是國(guó)際上首次完成的月面就位寬譜段圖譜集成同步探測(cè)及定標(biāo)?！爸钡竭@個(gè)時(shí)候，我們才全體把心放回肚子里?！崩畲簛?lái)感慨地說(shuō)。

項(xiàng)目結(jié)束后，探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)給出的結(jié)論是：“CE-3紅外成像光譜儀可見(jiàn)近紅外圖像數(shù)據(jù)與短波紅外光譜數(shù)據(jù)完整有效，全譜段光譜特征明顯，可見(jiàn)近紅外通道圖像清晰，其光譜范圍、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)均滿足任務(wù)要求。反射率光譜經(jīng)初步分析，發(fā)現(xiàn)高鈣輝石、橄欖石等月表典型礦物的吸收峰特征?！?基于此項(xiàng)創(chuàng)新性成果，團(tuán)隊(duì)獲得于2014年國(guó)家五部委聯(lián)合頒發(fā)的“探月工程嫦娥三號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)單位”獎(jiǎng)。成果獲得2015年度中國(guó)工程光學(xué)學(xué)會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

完成首臺(tái)機(jī)載熱紅外成像光譜儀

近幾年，李春來(lái)所在的團(tuán)隊(duì)主要進(jìn)行的就是熱紅外譜段高光譜成像儀器研究工作。在“十二五”國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目“星載紅外高光譜成像載荷研制”中，作為項(xiàng)目副組長(zhǎng)，李春來(lái)面對(duì)的是“如何制造出我國(guó)第一臺(tái)在熱紅外譜段的成像光譜儀器”的任務(wù)?！斑@是在我國(guó)國(guó)內(nèi)第一次開(kāi)展該類儀器的研發(fā)，而國(guó)外的材料又很難拿到，只能通過(guò)不斷地摸索來(lái)進(jìn)行。所以我們前期就花了近兩年的時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)研和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，在反復(fù)權(quán)衡中決策到底怎么來(lái)做這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

李春來(lái)補(bǔ)充說(shuō)：“等到弄清楚該怎么做之后，我們又面臨兩個(gè)難題，一是在這個(gè)儀器上要求首次實(shí)現(xiàn)低溫光學(xué)，把光學(xué)系統(tǒng)制冷到零下兩百度左右，并且實(shí)際應(yīng)用到儀器當(dāng)中去；第二個(gè)是在熱紅外譜段如何實(shí)現(xiàn)光譜精細(xì)分光后的高質(zhì)量成像。在這一點(diǎn)上，目前世界上也只有美國(guó)開(kāi)展了這方面的研究工作?！?/p>

最后，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了“推掃成像+延伸波長(zhǎng)探測(cè)器+色散型分光+低溫光學(xué)+實(shí)時(shí)定標(biāo)”的總體技術(shù)路線，組織攻關(guān)完成了我國(guó)第一個(gè)100K機(jī)械制冷的低溫光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)延伸至12.5μm的紅外焦平面高光譜成像，成功地將高光譜成像遙感拓展至熱紅外譜段。

該項(xiàng)目完成了我國(guó)第一臺(tái)熱紅外成像光譜儀，儀器于2015年6月成功開(kāi)展了航空校飛，其指標(biāo)與美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室2014年完成的MAKO系統(tǒng)相當(dāng)，成果獲2015年度中科院上海技術(shù)物理研究所年度重要科技進(jìn)展，得到國(guó)家有關(guān)部門高度評(píng)價(jià)，并且作為優(yōu)秀項(xiàng)目代表參加了2016年5月在北京舉辦的國(guó)家“十二五”科技成就展。以上學(xué)術(shù)成果和創(chuàng)新點(diǎn)還應(yīng)用到我國(guó)“高分辨率對(duì)地觀測(cè)”重大專項(xiàng)“全譜段多模態(tài)成像光譜儀”中，李春來(lái)在該項(xiàng)目中擔(dān)任副主任設(shè)計(jì)師崗位，負(fù)責(zé)熱紅外模塊的工程研制。

李春來(lái)說(shuō)：“為了完成這個(gè)項(xiàng)目，整個(gè)團(tuán)隊(duì)前前后后無(wú)數(shù)個(gè)夜晚不眠不休做研究和實(shí)驗(yàn)。過(guò)程確實(shí)很艱難，但也正因?yàn)榇?，成功的果?shí)才格外芬芳香甜。我們付出了數(shù)年的努力，最后獲得了國(guó)家層面的認(rèn)可，是非常有榮譽(yù)感、很開(kāi)心的事情?！?/p>

在李春來(lái)看來(lái)，能夠取得這諸多殊榮主要?dú)w功于他所在的團(tuán)隊(duì)——中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所。他說(shuō)：“我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)影響力比較大，能夠獲取的科研資源也相對(duì)較多。再加上這是一個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)，除團(tuán)隊(duì)帶頭人之外，其余均為青年科研人員，整個(gè)團(tuán)隊(duì)充滿了活力?！崩畲簛?lái)玩笑說(shuō)，目前在國(guó)內(nèi)，很多科研團(tuán)隊(duì)在高光譜成像方面研究方向單一，科研院所多偏向于理論，業(yè)界又集中于儀器。而他所在的上海技術(shù)物理研究所則是二者兼?zhèn)?，齊頭并進(jìn)，有著其他團(tuán)隊(duì)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

作為青年科技工作者，李春來(lái)認(rèn)為，對(duì)科研工作的熱愛(ài)是一切鉆研的前提；其次則要耐得住寂寞，因?yàn)榭蒲泄ぷ骱茈y在短期內(nèi)出成果。在李春來(lái)看來(lái)，勤勤懇懇地做好自己的本職工作，就一定會(huì)有回報(bào)。