“這個(gè)太復(fù)雜，你的技術(shù)路線風(fēng)險(xiǎn)太高?！泵绹?guó)宇航局（NASA）幾位遙感載荷專(zhuān)家的反應(yīng)出奇一致。

2015年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員陳衛(wèi)標(biāo)在一場(chǎng)國(guó)際會(huì)議上遇到NASA幾位同行，便請(qǐng)他們對(duì)自己正在籌備立項(xiàng)的“二氧化碳高精度監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)”項(xiàng)目提出意見(jiàn)。

“因?yàn)槎际峭校磉_(dá)得比較委婉。”陳衛(wèi)標(biāo)自嘲說(shuō)，“風(fēng)險(xiǎn)太高的意思其實(shí)是做不出來(lái)?！?/p>

然而去年4月，搭載全球首顆大氣二氧化碳和高光譜氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)的衛(wèi)星“大氣一號(hào)”發(fā)射成功，意味著我國(guó)已率先實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體和氣溶膠高精度激光遙感探測(cè)。陳衛(wèi)標(biāo)憑借在星載激光雷達(dá)及其關(guān)鍵激光器國(guó)家重大工程中的突出貢獻(xiàn)，獲得第三屆全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)。

交出“答卷”

近日，“大氣一號(hào)”交來(lái)一份“優(yōu)秀答卷”——人類(lèi)首次獲得全球兩極地區(qū)及全球夜晚的二氧化碳柱濃度，初步比對(duì)精度優(yōu)于1ppm。

“大氣一號(hào)”發(fā)射前，距地球700公里的軌道上已有一顆美國(guó)的氣溶膠探測(cè)衛(wèi)星在工作。那顆衛(wèi)星代表著國(guó)際激光雷達(dá)遙感載荷的最高水平，但中國(guó)計(jì)劃用難度更大的高光譜技術(shù)更精準(zhǔn)地探測(cè)氣溶膠，并且要在一顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)“污（氣溶膠）碳（二氧化碳）同測(cè)”。

陳衛(wèi)標(biāo)解釋說(shuō)，以前全球碳排放的“盤(pán)點(diǎn)”基本是國(guó)外在做，隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的確立，“減排降污”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展途徑迫切需要我們掌握全球高精度碳分布的基本數(shù)據(jù)。

“大氣一號(hào)”這一全球首顆主動(dòng)激光雷達(dá)二氧化碳探測(cè)衛(wèi)星的主動(dòng)激光雷達(dá)載荷，采用路徑差分吸收和后向散射高光譜探測(cè)體制，可以獲取全球大氣二氧化碳柱狀濃度、云和氣溶膠的垂直分布信息，進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)和二氧化碳柱濃度監(jiān)測(cè)。

艱辛答題

國(guó)際上普遍認(rèn)為，要區(qū)分碳源和碳匯，需要達(dá)到0.3%的質(zhì)量精度，即小于1ppm的測(cè)量精度。以前的測(cè)量手段主要靠被動(dòng)光譜測(cè)量，即利用大氣反射的陽(yáng)光進(jìn)行測(cè)量。

“但被動(dòng)光譜測(cè)量存在一定局限性，沒(méi)有陽(yáng)光的地方就無(wú)法測(cè)量?！标愋l(wèi)標(biāo)說(shuō)，“我們提出主動(dòng)測(cè)量法，即在衛(wèi)星上發(fā)出激光，再通過(guò)地表反射的激光進(jìn)行定量測(cè)量。但這個(gè)新技術(shù)方案能否精確到1ppm需要用數(shù)據(jù)證明?！?/p>

這就要求在發(fā)射衛(wèi)星前，先在實(shí)驗(yàn)室模擬出大氣環(huán)境，證明載荷測(cè)量精度能達(dá)到要求。為此，陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)二氧化碳吸收池——長(zhǎng)約40 m、直徑300 mm的管狀實(shí)驗(yàn)裝置，然后用壓力和溫度的變化量模擬整層大氣層吸收，通過(guò)改變壓力和濃度，逐步驗(yàn)證設(shè)備的響應(yīng)變化率。

美國(guó)氣溶膠測(cè)量衛(wèi)星CALIPSO在700公里的衛(wèi)星軌道上，延壽運(yùn)行到今年為止。中國(guó)之所以也發(fā)射到700公里軌道，一是因?yàn)槟芎驮瓉?lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，二是因?yàn)槿绻鸆ALIPSO停止運(yùn)行，中國(guó)衛(wèi)星補(bǔ)上去，全球大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)能得以延續(xù)。

陳衛(wèi)標(biāo)表示，700公里軌道太高，要保證激光從衛(wèi)星“打”到大氣中再返回衛(wèi)星，必須有足夠能量。而二氧化碳探測(cè)使用“差分吸收法”測(cè)量，該方法的前提是激光頻率要穩(wěn)定，一旦不穩(wěn)就無(wú)法判斷是大氣濃度變了還是激光頻率變了。

“傳統(tǒng)激光技術(shù)存在一個(gè)矛盾——能量大的時(shí)候，頻率穩(wěn)定度就保證不了?！标愋l(wèi)標(biāo)說(shuō)。

陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)為此發(fā)明了一套激光穩(wěn)頻技術(shù)和一套逐級(jí)能量放大技術(shù)，完美解決了上述兩大難題，這是國(guó)際上第一次在一臺(tái)激光雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)多波段頻率穩(wěn)定和高能量輸出，以實(shí)現(xiàn)多要素的高精度探測(cè)。

“少‘打’一顆衛(wèi)星上天，對(duì)國(guó)家來(lái)說(shuō)可以節(jié)省很多成本?！标愋l(wèi)標(biāo)解釋說(shuō)，“設(shè)計(jì)方案的時(shí)候我們分析過(guò)，測(cè)量二氧化碳的短波紅外激光是通過(guò)近紅外激光產(chǎn)生的，而剩余的近紅外激光可以再轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，所以讓一套激光系統(tǒng)發(fā)揮兩種功能不是完全不可能?！?/p>

此外，激光雷達(dá)的接收需要1 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，在1個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡中巧妙分出若干個(gè)通道，其中3個(gè)專(zhuān)門(mén)測(cè)霧霾、兩個(gè)專(zhuān)門(mén)測(cè)二氧化碳，這就完美解決了“污碳同測(cè)”問(wèn)題。

準(zhǔn)備“領(lǐng)跑”

從飽受質(zhì)疑到腳踏實(shí)地做出實(shí)事，陳衛(wèi)標(biāo)感受頗深。他認(rèn)為，當(dāng)前中國(guó)科技“跟跑時(shí)代”就要過(guò)去，即將迎來(lái)科技自立自強(qiáng)的時(shí)代。

“我們處于一個(gè)重大科技變革期，全社會(huì)對(duì)科技的期望非常高?！标愋l(wèi)標(biāo)說(shuō)，“這需要我們認(rèn)真思考，什么樣的科技才能真正支撐國(guó)家發(fā)展。”

陳衛(wèi)標(biāo)認(rèn)為，在科研選題方面，我們正面臨“熱”和“冷”的選擇。“冷”是指一些“補(bǔ)短板”的研究，這些研究即使不是熱點(diǎn)，但只要是國(guó)家發(fā)展“痛點(diǎn)”，就值得做好攻關(guān)；在“熱”的方面應(yīng)該自信自強(qiáng)，將前沿?zé)狳c(diǎn)的“極限”做出來(lái)，真正引領(lǐng)學(xué)科、技術(shù)的發(fā)展，為科技轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)變革奠定基礎(chǔ)。

“我們即將參加一個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，到時(shí)會(huì)見(jiàn)到NASA的朋友。我們會(huì)作專(zhuān)題報(bào)告，告訴他們我們已經(jīng)拿到全球激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)了?！标愋l(wèi)標(biāo)自豪地說(shuō)。