全球变暖、温室效应、极端天气、雾霾……每一个词都如一把重锤，不时地敲打人类脆弱的文明。因为人类的活动，导致碳排放增多，人类生存环境不断恶化，极端天气增加，面对严峻的“气候变化”形势，减少二氧化碳等温室气体的排放已成为应对“困局”的必然选择，而全球碳排放的量化监测是实现这一任务的重要保障。
目前的所有碳排放量监测手段中，只有星载高光谱温室气体探测技术既能够实现对大气中CO2等温室气体浓度的高精度探测，又能够获取全球各区域气体浓度分布数据。正因如此，各发达国家纷纷积极研发专用的、高精度温室气体观测卫星。但由于极高的技术难度，目前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放:一颗是日本于2009年发射的包括CO2、CH4浓度观测的卫星GOSAT，一颗是美国于2014年发射的、专门用于大气CO2浓度测量卫星OCO-2卫星。
长春光机所承担载荷研制任务
在这样的背景下，国家863计划在“十二五”期间设立了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（简称碳卫星），目标是研制并发射一颗“以高光谱CO2探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的全球二氧化碳监测科学试验卫星”。中科院长春光机所承担全部两台载荷的研制任务。
CO2探测仪核心的技术指标和难点就是要同时实现高光谱分辨率和高辐射分辨率，这就如同检查人的指纹，普通仪器只看得到纹理，而CO2探测仪可以把指纹放大一百倍，精细的测量每条指纹的宽度和深度。
项目从2011年开始启动，从总体方案设计、关键技术攻关开始，到最后完成整星研制、具备发射状态，历经近6年的时间。承担载荷任务的团队非常年轻，CO2探测仪的负责人郑玉权，在项目立项时刚刚39岁；团队30人，完成任务后平均年龄不到35岁。
作为863项目，碳星载荷性能指标达到国际先进水品，技术难度也极大。项目之初，载荷团队一面要加紧攻破各项关键技术、进行原理验证；一面要进行载荷工程化研制，两线并行，压力巨大！
助理研究员王龙正在对指向镜组件进行面型精度测试。
一镜双用
CO2探测仪通过一块指向反射镜对外部光线进行收集，这块指向镜在设计时被巧妙地设计“一镜双用”：一面镜面，用于在观测时折射光线；一面漫反射面，在定标时对准太阳，名称漫反射光来定标仪器精度。巧妙设计的背后是加工制造难度的极大增加，一方面要保证镜面和漫反射面时的高精度，另一方面要实现高度轻量化和高可靠性，研究人员经过反复工艺摸索和大量的空间可靠性试验才最终完成突破这项关键技术。
CO2探测仪最核心的指标之一就是光谱分辨率，仪器最高分光谱分辨率可达0.04nm。而实现光谱分辨率的核心分光原件就是全息衍射光栅。图中研究人员打开光栅后，小心翼翼拿出气吹对光栅表面进行清理，防止粉尘污染。哪怕一粒细小灰尘进入仪器，最后也会造成杂散光影响探测效果。
大面积全息光栅
CO2探测仪使用核心分光元件是大面积全息光栅，这种光栅需要极高的衍射效率和面型精度要求，同时要能够适应苛刻的太空环境要求。为突破这项关键技术，科研人员从最基础的、制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发，一点点攻克技术难点，最终在SiC基底上制造出高精度衍射光栅，并在航空较飞试验中进行了验证。
低温下进行组件和整机装调
与其他很多星载光学载荷不同，为了提高两个红外通道的信噪比、保证光谱探测精度。科研人员所有的组件、整机装调工作都要在-5℃条件下进行。在载荷初样、正样研制最紧张的阶段，研究人员持续数月连续在低温室里工作，经常户外是30℃以上的高温，低温室内穿着厚厚羽绒服、冻着手坚持装调。
定标技术
定标技术是光谱仪器的最终实现精度的关键技术，为保证最终的光谱数据的精准，必须在实验室和在轨工作时对仪器的光谱性能和辐射性能进行精准标定。
CO2探测仪和云与气溶胶探测仪采用了国际最先进的定标技术。为保证实验室定标数据有效性，CO2探测仪必须在真空罐内模拟在轨实际工作状态进行定标，而这一真空定标系统是为CO2探测仪量身特制的。科研人员还利用可调谐激光器和波长及搭建自动化定标系统，大幅提高了实验室定标的效率，使仪器的定标周期较OCO2大幅缩短。
在轨定标技术方面，两台仪器均采用多种定标模式交叉比对定标，而且能够实现在轨对日定标，云与气溶胶探测仪还能够进行在轨对月定标，这相当在太空工作状态下，仪器也能有一个稳定的决定定标基准，这对于保证仪器最终的数据精度极为关键。
信噪比是CO2探测仪的又一关键指标。为降低仪器噪声，整台仪器需要工作在-5℃温度水平，科研人员所有的组件、整机装调工作也都要在-5℃条件下进行。在载荷研制最紧张的阶段，研究人员持续数月在低温室里工作，经常户外是30℃以上的高温，科研人员在低温室内把羽绒服裹在防静电服内进行装调。
仪器装调是一件精度要求极高的工作，即使是零下的低温，也不能佩戴多余的保暖物品，一方面防止引入多余物，另一方面怕影响装调时的手感，所以只能“要精度、舍温度”。助理研究员薛浩进行碳卫星原理样机1610nm通道准直镜筒装调。
多谱段云与气溶胶探测仪特写。
“配角”也不简单
多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”，但千万别小看他，他可能给我带来很多意想不到的收获。
在碳卫星立项论证时，云与气溶胶气溶胶探测仪只规划了0.38m、0.67m、0.87m、1.64m四个光谱通道；但随着地面应用系统的不断论证，希望仪器能够增加1.375m探测通道，并在0.67μm和1.64μm波段实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能。
探测仪想要“上天”执行任务，必须经过各种严苛的试验考验，热真空试验便是其中之一。仪器被罩进“加热笼”后送进真空罐内测试，这就好比是将仪器放置于冷黑的太空中，同时接受着太阳的炙烤，只有在这样的严酷条件下仍能正常工作，才算通过试验。
振动试验是最惊心动魄的环境试验，探测仪被置于高高的振动台上、接受6倍重力加速度的振动冲击，发出噪音超过100分贝。为了确保试验万无一失，科研人员经常要花大量的时间在现场讨论试验条件。
为了确保CO2探测仪的测量精度并验证反演算法，2015年9月，项目组用改造后的原理样机在白城附近草原进行了航空校飞试验。试验中，需要深入草原铺设航拍靶标。近一个月的风吹日晒，试验最终取得的圆满结果，可归来的小伙子们，却个个皮肤黝黑、犹如难民。
夜不归宿是研制过程中的经常状态，面对每日高强度的工作，恐怕没有比实验室的一张小床更温暖的窝了，只是可怜了那等待他们归来的妻子和孩子。
整个载荷主体，横竖一个平方米，方寸之间凝聚着整个团队6年的心血。当他身披着“黄金圣衣”冲向宇宙时，他真的担负着保护人类、控制温室气体排放的神圣使命。
为了获取更加丰富的科学数据，载荷研制单位克服困能，重新对仪器进行了设计，按照应用系统的需求增加了相应的探测通道。
增加探测通道后，利用偏振信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特点，可以提取气溶胶光学厚度，然后利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点，经过大气订正，得到地表反射率，从而实现对气溶胶和地表反射率的同时反演。
这样不仅可以获取的全球尺度气溶胶数据，还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。
6年青春书写的绿色使命
整个载荷主体，横竖一个平方米，方寸之间凝聚着整个团队6年的心血。现在，我国首颗CO2观测科学实验卫星TANSAT也即将于2016年末发射，对人类碳排放一探究竟！期望他不辱使命、用精准的数据守护地球的绿色家园！
离别时，为高光谱CO2探测仪送行，科研团队成员都握紧拳头。这拳头是对他一身好本领的信心，是团队6年热血青春的凝结，更是期望他不辱使命、用精准的数据守护地球的绿色家园！中国碳卫星即将发射了，预祝发射成功！
周立勋 中国吉林网 吉刻APP 摄影记者 罗浩
