這是 6 年來微信啟動頁面首次發生變化，從非洲大陸上空視角轉變為我們祖國上空視角，打開微信屏幕就可以看到我們的祖國。這張照片是誰拍的？怎麼拍出來的呢？微信公眾號“ SELF 格致論道論壇” 9 月 25 日消息，“風雲四號”氣象衛星掃描成像輻射計副主任設計師沈霞為我們講述這張照片背後不為人知的故事。
以下是沈霞在 SELF 講壇上的演講實錄（SELF 格致講道講壇由中科院計算機網絡信息中心和中科院科學局聯合主辦）：
大傢好我是沈霞，來自中科院上海技術物理研究所，今天我特地穿瞭一身裙子，是想要刷新一下大傢對科研女性的印象。
沈霞，風雲四號氣象衛星掃描成像輻射計副主任設計師，中科院上海技術物理研究所副研究員
看到風雲兩個字，我想問一下在座的各位，大傢會想到什麼？我問過很多人這個問題，有人告訴我風起雲湧，也有人跟我說風雲人物，當然也有人回答的是《風雲雄霸天下》。
現在我給大傢展示的這個就是真正的地球風雲，這是去年 12 月 11 日（發射的）風雲四號氣象衛星上面掃描成像輻射計拍攝的地球 24 小時的雲圖，在赤道附近大傢有沒有註意到有一塊亮斑在移動，是什麼？那是太陽在海洋上面的倒影，是不是看起來很神奇。
在我們眼裡看來隻是普通的一張圖，但是在科學傢眼裡它實際上是一組龐大的數據，要想看懂那張圖，我們就要先從這些光說起。
大自然其實對我們人類並沒有特別的優待，我們人眼能看到的可見光隻是其中的一小部分，還有很多的光是我們看不見的。那些我們看不見的光，是可以用儀器把它拍出來的。
大傢比較瞭解的比如 X 光，都去醫院體檢過吧，拍過胸片對不對，我們來看看 X 光還能幹嘛呢？英國的一個藝術傢用它來拍瞭一個藝術作品。
當然還有一種光大傢可能聽說得比較多，但是接觸得不多，那就是紅外線。關於紅外線我給大傢展示一個小實驗，有一次我去我同事的辦公室，她正在擺弄一個紅外熱像儀。這個是她放在辦公室的一個文件袋，我的同事把她的手在這個文件袋上，按瞭一小會兒然後把手拿走，她用她的手機和紅外熱像儀分別拍瞭兩張照片。
現在我想問一下大傢，有人能看見她的手印按在哪裡瞭嗎？沒有。我們看這張照片，紅外熱像儀的這張圖片上很清晰地拍出瞭她按瞭手印的位置，這是為什麼呢？
因為紅外線是對溫度敏感的波段，她的手按在上面的時候，就對這個文件袋的局部進行瞭加熱，讓她手印的這個地方溫度比周圍高，所以熱象儀就把它拍出來瞭。
既然紅外線對溫度敏感，那我們能不能用熱像儀、紅外線的這個原理對物體的溫度進行測量呢？答案是肯定的。
我們看這 15 張圖，從第 2 張開始就是我們風雲四號輻射計拍攝的一些不同波段的圖，大傢可以這麼來理解：每一張圖就代表瞭一種單色光，但實際上其中的可見光隻有前面的兩張，後面就是近紅外還有紅外的圖片，每一張圖片上面的一個像素點都可以推導出一個具體的溫度值。
我們可以想象一下拿著一個超級的溫度計，在距離地球 36000 公裡那麼高的地方，對地面的水汽、樹、植被還有地表進行溫度測量，測量的精度能到多少呢？能精確到一度哦，是不是很厲害。
那麼這些單色圖我們（用）來幹什麼呢，可以用來做合成，比如說剛才一開始給大傢展示的那個非常炫的地球動圖就是由前面三個波段的圖片合成的。我們如果拿第一張第二張和第四張合成會看到什麼呢？
看，這是一張冰雲圖，大傢有沒有註意到藍色的部分就是冰雲，它的溫度是低於零度的，而白色的就是我們普通的常溫雲。能夠把冰雲和常溫雲區分開來對天氣預報是有很大的作用的。
我們再來看一下對孟加拉灣北部的一個霧霾監測圖，在這張圖中灰色的就是霧霾，白色的就是雲還有雪。
我們說瞭這麼多，那麼我們風雲四號氣象衛星在國際上到底處在一個什麼樣的水平呢？我給大傢介紹一下風四和它的國際上的小夥伴們。
首先要說一說的就是美國的 GOES-16，它上面裝載的儀器叫 ABI，就相當於我們風雲四號上面的輻射計。這裡再給大傢講一下輻射計是什麼，很多人肯定不明白這麼一個很專業的詞，你可以把它想象成拍地球的照相機，它和衛星的關系是什麼呢，我們這個照相機就是裝在衛星平臺上的。
但是最終我們要評價風雲四號它的水平到底怎麼樣呢？主要還是要看我們衛星上裝載的這些儀器的性能，我們剛才說瞭美國的 GOES-16 上面裝載的是 ABI，歐洲的 MTG 上面裝載的是 FCI，還有我們中國風四上面裝載瞭輻射計。
這三個系列美歐中可以說是三足鼎立，我們如果單單從輻射計的角度來看，它的性能指標比美國的 ABI 和歐洲的 FCI 要略差瞭那麼一點，但是我們風四上面還裝載瞭另外一臺重量級的儀器，就是大氣垂直探測儀。
目前大氣垂直探測儀是世界上（在地球靜止軌道）第一個首發的（大氣垂直探測）儀器，也就是說美國人的上面沒有，歐洲人怎麼辦呢，歐洲人比較奢侈，他們覺得輻射計和探測儀這兩大載荷裝在同一個衛星上會相互幹擾，於是分瞭兩個衛星裝，一個衛星發輻射計另外一個衛星再發探測儀，但是我們風四上面同時裝載瞭這兩臺。
我們再來看看發射時間吧，在去年的 11 月 19 日美國人的 GOES-16 首發，而在去年的 12 月 11 日我國的風雲四號首發，為瞭趕上這個時間節點我們研制項目組是花瞭很多心思的。
說到這裡還要再補充一個，就是歐洲人的 MTG 他們計劃要到 2019 年才能發上去，說到這裡有人要問瞭，你怎麼不提提日本呢，日本有一個葵花 9 它的性能也不差呀？我為什麼不提它，是因為它上面的核心儀器是美國人賣給它們的。
講瞭這麼多風雲衛星，大傢對我國的風雲衛星有瞭解的嗎？看來大傢都不怎麼瞭解，風雲衛星是氣象衛星，氣象衛星對防災減災有非常重要的作用，它的投入產出比在國際上公認的是 1:40，所以我國在 1977 年就開始發展我國的風雲衛星。
下面先看一下這個軌道，不做天文學的人可能不是很理解，第一個我們看一看小圈裡面這個軌道叫太陽同步軌道，這個軌道的高度在 500 到 1000 公裡左右。它的特點是什麼呢？它能夠看南極和北極看得比較清楚；它缺點是什麼呢？就是它對同一個地點的觀測一天最多隻能看兩次。
另外一個軌道就是地球靜止軌道，它的軌道高度有 36000 公裡那麼遠。它的特點是什麼呢？如果在這個軌道上的衛星足夠大，大到我們在地面上能夠看到它，就像一顆星星一樣。
那麼你不用去拿星圖表整天在找這個星星在哪裡，它會永遠定在那個位置，盯著你看它在天上是不變的。那麼就利用它的這個特點在這個軌道上面佈置衛星，它可以對地球進行 24 小時的連續成像，這也是為什麼我能給大傢展示剛才那張地球圖，就是因為它是在地球靜止軌道拍攝的。
作為一個氣象應用，國傢是要在這兩個軌道同時佈置衛星的，它們是相互互補的，所以我國就在太陽同步軌道佈置瞭風雲一號，它的第二代產品是風雲三號；
我們在地球靜止軌道佈置瞭風雲二號，它的下一代產品就是我們目前剛剛首發的風雲四號，我們風雲四號的研制花瞭 15 年的時間，為什麼要花這麼長的時間呢？我現在就給大傢分享一下風四輻射計研究的小故事。
2001 年的時候我們所裡的王淦泉老師帶著一個光學、一個機械設計師開始預研，當時瞄準的目標是什麼呢，是美國 GOES-8 在 1994 年發射的衛星，GOES-8 當時做五個通道，也就是說它一次能拍五張圖，而我們王老師瞄準的這個目標是要做十個通道一次拍十張圖，在當時看來是蠻先進的。
2004 年底的時候，他唯一的機械設計師跳槽瞭，這個時候我就有幸的加入瞭這個團隊。2007 年的時候，我們的原理樣機研制成功瞭，大傢都很高興，覺得再過個一兩年我們這個十通道的產品就可以發上天瞭，而且在當時的國際上還是能占到一個領先的水平的。
但是這個時候美國人推出瞭一個對我們來說爆炸性的新聞，也就是說他們開始打造他們的 GOES-R 系列。
GOES-R 是什麼，就是剛剛提到 GOES-16，美國人把他們沒有發射的衛星叫做 R 系列，就是有用字母 ABCD 來表示，發射完之後他們就用 1234 來表示，他們準備在 GOES-R 上面裝載的最新的儀器叫 ABI，ABI 跟原來的 GOES-8（比）前進瞭不是一點點，它要拍 16 個通道的圖。
這個時候我們就面臨選擇瞭，如果我們把已經研制成功的十通道的產品發射上去，我們會在 GOES-R 上天之前的這一小段時間裡面保持領先，但是等 GOES-R 一旦上天以後，我們就又會落後他們一大截，另外一個選擇就是已經研制的這臺產品我們推翻重來，我們去研制跟 GOES-R 同樣技術水平的產品，經過短暫的猶豫之後項目組決定推翻重來，所以到 2017 年的今天我們才能看到剛才那個 14 個通道的美麗的圖像。
說瞭這麼多大傢還是要問，做一臺載荷而已，一臺拍地球的照相機而已，為什麼要做這麼長的時間，它有那麼難嗎，我們手機的更新換代那麼快對不對，我下面就舉兩個例子來跟大傢講一講這個技術難在哪裡。
我們先看看風雲二號的衛星，它采用瞭自旋穩定式，剛剛我們說瞭地球靜止軌道它有一個特點，就是跟我們地球是同步的，在這個軌道上我們對溫度的感覺就跟人類對溫度的感覺是一樣的。
它有一年四季，而且它也有早晚的溫差變化，失去瞭大氣層的保護這個溫度變化會更為劇烈。劇烈到什麼程度呢，我們產品上面的一個測溫點顯示它最低溫在 -130 度，最高溫的時候 150 度，這麼一個溫度波動是在一天內交替完成的，也就是說它每天要循環一個來回。
風雲二號的自旋穩定方式，因為它是旋轉著看地球的，它（溫度）自己就穩定掉瞭，這就是我們要解決的第一個問題，熱的問題。美國人他們怎麼解決這個問題呢，他們為儀器打造瞭一個空調房，利用他們高超的溫控技術把這個儀器控制在近乎恒溫的一個溫度狀況。
大傢都知道照相機是很嬌嫩的，焦距稍微沒有調準一點那麼就離焦瞭，拍出來照片就模糊瞭。而我們的物體我們的各種材料都是有熱脹冷縮的，在這麼大的一個溫度范圍之內熱脹冷縮之後早就離焦，不知道離到哪裡去瞭。
但是我們國傢當時的溫控技術還做不到這一點，因為我國的基礎科學、基礎技術還有基礎工業，有些硬件生產不出來，這個時候我們隻能另辟蹊徑瞭，想什麼辦法呢，就是讓我們的照相機能夠適應更大范圍的溫差，我們把我們的光學系統做到能夠適應 30 度的溫差，這樣子我們就降低瞭對溫控技術的要求。
要解決這個問題我們缺少瞭一種材料。有一次在一次學術報告會中，我們無意中聽到有一個大學的老師，他們研制出一種新型的材料，這種新型材料的各種特性正好是我要建這個能夠適應大溫差的光學系統需要的，所以我們就去找他瞭，希望能把這種材料給我們用上。
但是第一次見面之後我們就很失望，為什麼呢？這個材料的性能雖然好，但是它的加工工藝還停留在加工圓盤圓筒這麼一個簡單的東西上面，而我們要制造的是什麼呢？是結構非常復雜，精度達到 0.01 毫米的一個產品。
還好我們雙方都沒有放棄，我們幫助他們改進瞭各種工藝，第一個產品我們用粘接的方法，經過瞭七八年時間的努力，最後我們出來的產品已經是一體化成型瞭。
我們做技術就好像搭積木一樣，這些積木就是國傢基礎，有些積木我們可以直接拿來用，有些積木沒有我們怎麼辦呢？我們就創造出這個積木，這個就是我們在這個行業裡面往前推進瞭一步的積木，那麼後面的人如果想要設計的時候，利用這種材料的話，他們就不需要再摸索瞭，完全可以直接利用我們的加工工藝。
拍照片另外一個關鍵的就是要穩。我們在 36000 公裡這麼遠的地方拍照片，穩定是第一位的，真正的差之毫厘謬以千裡。這個穩定度到瞭什麼程度呢，舉個例子如果我相機偏瞭一個角分的話，地球上就偏瞭十公裡。我們這個時候就需要針對這個我們需要（創新）一套精密的掃描控制技術（方案），這套掃描控制方案出來之後，需要一個叫高精度角度傳感器（的產品）。
這麼一個（達到設計要求）精密產品也是國內沒有的，我們就輾轉調研到常州有位老先生，他有可能掌握這種技術。
這位老先生比較傳奇，他曾經是一傢大型的機床生產廠傢的一個研發人員，當時他申請國傢課題做瞭這方面的研究，研制出瞭世界上一流水平的角度傳感器，但是可惜的是有一天他發現他研制的傳感器被廠裡面誤當成廢品給賣出去瞭，小孩子們拿著這個東西在地上滾著玩，他就很傷心瞭，退休以後他就帶著自己的侄子女婿，一個小型的傢族企業繼續他的研究。
但是大傢也知道對於一個小企業來說，想要做科研無疑是天方夜譚，資金從哪裡來？設備從哪裡來？
正好我們在這個時候找到瞭他，當時陳先生已經年近 70 歲瞭，我們跟他們談合作他欣然答應。
我們給他們提供實驗設備，他就幫我們來研制這個高精度的傳感器，這個過程中我們一起解決瞭傳感器的真空適應性問題，還解決瞭其他的一系列問題，那麼到今天他研制的這個角度傳感器我已經在四臺載荷上面同時上天應用瞭。
說到這裡我想說的是什麼大傢應該是明白瞭，我們的風四輻射計真正的核心技術都是掌握在我們自己手裡，我們的風雲四號打的是純正的中國牌，謝謝大傢。
