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今夜，微信啟動圖片首次變臉：看“風雲四號”拍攝國產地球圖片
換圖前（左）和換圖後（右）
騰訊科技9月25日表示，本月25日至28日期間，用戶在微信啟動時，可以欣賞到由“風雲四號”從太空拍攝的最新氣象雲圖。
事實上，6年來微信啟動頁中選用的照片素材是NASA在全世界範圍公開的第一張完整的地球照片，名為“藍色彈珠”，這是人類第一次從太空中看到地球的全貌。畫麵中所顯示的是非洲大陸。關於選用這張照片作為素材的原因，微信團隊透露稱：“非洲大陸是人類文明的起源地，我們將非洲上空的雲圖作為啟動頁的背景圖，也希望將‘起源’之意賦予啟動頁麵。而此次展示‘風雲四號’拍攝畫麵，也是寓意從‘人類起源’到‘華夏文明’的曆史發展，旨在向億萬微信用戶展示我國大好河山風貌。”
像我們我們這麼厲害的公眾號當然不能止步於發布消息。“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沈霞將帶我們好好了解一下全身國產“中華牌”的“風雲四號”。
真正的地球風雲
看到風雲兩個字，你會想到什麼？有人會想到“風起雲湧”這個詞語，也有人會想到“風雲人物”，當然也有人腦海中浮現的是《風雲雄霸天下》的場景。
下圖所示是真正的地球風雲，這是去年12月11日發射的風雲四號氣象衛星上麵的掃描成像輻射計拍攝的地球24小時的雲圖，赤道附近有一塊亮斑在移動，那是太陽在海洋上麵的倒影。
這樣一張在我們眼裏看來非常普通的圖片，在科學家眼裏將會是一組龐大的數據，想要看懂那張圖，就要先從光說起。
那些我們看不見的光
大自然對人類並沒有特別的優待，我們肉眼可見的光隻在光譜中占了很小的一部分，還有很多光是我們看不見的。但對於那些我們看不見的光，可以用儀器把它們拍出來。
大家比較了解的比如說X光還有紅外線，沈霞為大家分享了一個有關紅外線的小實驗。
這是一個普通的文件袋，把手放到上麵按一小會兒之後用手機和紅外熱像儀分別拍了兩張照片，後者的照片中出現了手的形狀，這是因為什麼呢？
其實紅外線是對溫度敏感的波段，手按在上麵的時候就對這個文件袋的局部進行了加熱，讓手印的地方溫度比周圍高，所以熱象儀就把它拍出來了。那麼既然紅外線對溫度敏感，能不能用熱像儀和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。
下麵這些圖從第二張開始是風雲四號輻射計拍攝的一些不同波段的圖，每一張圖代表一種單色光，但實際上其中的可見光隻有前麵的兩張，後麵就是近紅外還有紅外的圖片，每一張圖片上麵的一個像素點都可以推導出一個具體的溫度，跟實際溫度比，誤差小於一度。
這些單色圖還可以用來做合成，最開始那張地球風雲圖就是由前麵三個波段的圖片合成的。如果拿第一張第二張和第四張合成會看到一張冰雲圖，藍色的部分是冰雲，溫度低於零度的，而白色的就是普通的常溫雲，把二者區分開來對天氣預報有很大的作用。
下麵這張合成圖是對孟加拉灣北部的一個霧霾監測圖，在這張圖中灰色的是霧霾，白色的是雲還有雪。
三足鼎立的美歐中氣象衛星
那麼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？要評價風雲四號的水平，主要還是要看裝在衛星平台上的儀器的性能。
美國的GOES-16，它上麵裝載的主要儀器叫ABI，歐洲的MTG上麵裝載的是FCI，而我們風雲四號上麵的是輻射計，輻射計我們可以簡單理解為給地球拍照的儀器。
這三個係列美歐中可以說是三足鼎立，如果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要略差了那麼一點，但是風四上麵還裝載了另外一台重量級的儀器，就是大氣垂直探測儀，是世界上第一個在地球靜止軌道首發的大氣垂直探測儀器。
再看發射時間，美國的GOES-16在去年的11月19日首發，去年的12月11日我國風雲四號首發，而歐洲的MTG計劃要到2019年才發，至於日本的向日葵9我們就不多討論了，因為它上麵的核心儀器是美國人賣給它們的。
風雲係列大家族
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。
我們來了解一下風雲係列的布置軌道，小圈裏麵的軌道叫太陽同步軌道，高度在500到1000公裏左右。它的優點在於能夠看清楚南極和北極，但是對同一個地點的觀測一天最多隻有兩次。
另外一個軌道就是地球靜止軌道，它的軌道高度有36000公裏那麼遠。利用它靜止的特點在上麵布置衛星，可以對地球同一區域進行24小時的連續成像。
作為氣象應用，國家是要在這兩個軌道同時布置衛星的，它們是相互互補的，所以我國就在太陽同步軌道布置了風雲一號，它的第二代產品是風雲三號；在地球靜止軌道布置了風雲二號，它的下一代產品就是目前剛剛首發的風雲四號。
多年心血化為烏有，推翻一切卷土重來
風雲四號的研製花了15年的時間，過程非常艱辛。美國在1994年發射了GOES-8，當時做了五個通道，2001年我國開始進行風雲四號輻射計的預研，瞄準的目標是要做十個通道，在當時看來是蠻先進的。
2007年的時候，沈霞所在的風四輻射計團隊成功研製出了原理樣機，預計一兩年內產品就可以成功升天了，而且還能在國際上占到一個領先的位置。
但就在這個時候，傳來了一個爆炸性的新聞，美國已經開始打造他們的GOES-R係列，並準備在上麵裝載最新的儀器ABI，ABI比原來的GOES-8進步了太多，它可以拍16個通道的圖。
這個時候沈霞和她的同事們麵臨著艱難的選擇，
一個是把已經研製成功的十通道的產品發射上去，在短時間內保持領先，但是等美國的GOES-R上天以後就又會落後一大截；
另外一個選擇就是把現在已經研製成功的這台產品推翻重來，重新去研製跟GOES-R同樣技術水平的產品。經過短暫的猶豫之後，研製團隊和用戶達成一致，決定推翻重來。
技術難點一一攻克，打造純正“中華牌”
可能還是會有人疑惑，這隻是做一台拍地球的照相機而已，為什麼要花這麼長的時間，沈霞在現場舉例介紹了項目的難點。
風雲四號的衛星平台采用了三軸穩定式，在地球靜止軌道，三軸穩定式衛星相對太陽的關係，跟地球上的物體相似，有春夏秋冬和日夜溫差，失去了大氣層的保護，衛星上的溫度變化十分劇烈，輻射計上麵的某個暴露在外麵的測溫點顯示一天內的最低溫在-130度，最高溫的時候150度，這樣的溫度變化每天要循環一個來回。
大家都知道照相機是很嬌嫩的，而幾乎所有的材料都有熱脹冷縮的特性，在這麼大的一個溫度範圍之內，如果不采用特殊的技術，相機在熱脹冷縮之後早就離焦，因此沈霞和同事們要解決的第一個問題就是熱變形的問題。
美國為儀器打造了一個空調房，利用他們高超的溫控技術把這個儀器控製在近乎恒溫的一個溫度狀況。
但是我們國家當時的溫控技術還做不到這一點，因為受我國的基礎科學、基礎技術還有基礎工業的限製，有些硬件生產不出來。這個時候隻能另辟蹊徑了，沈霞團隊想到了把主光學係統做到能夠適應30度的溫差，這樣子就降低了對溫控技術的要求。
打造這個光學係統需要一種特殊性質的材料，在一次學術報告會中，沈霞無意中聽到有一個大學的老師研製出一種新型的材料，特性正好滿足他們的需求。
雖然要克服的問題還很多，但是雙方都沒有放棄，進行了各種工藝改造，經過了七八年時間的努力，最後終於做出了一體化成型的產品。
拍照片另外一個關鍵的就是要穩，在36000公裏遠的地方拍照，相機偏了一個角分，地球上就偏了十公裏。這個時候就需要研發一套高精度的掃描控製技術，這套技術裏麵的核心元件是高精度角度傳感器。
達到研製需求的超高絕對測量精度的角度傳感器當時國內也是沒有的。
沈霞和同事輾轉調研到常州有位老先生有可能掌握這種技術，找過去的時候這位老先生已經年近70歲了，聽到這個合作他欣然答應，雙方互助，一方提供實驗設備，一方提供研製技術，在這個過程中一起解決了傳感器的真空適應性等一係列問題。
到今天，這位老先生研製的角度傳感器已經在四台載荷上麵同時應用了。事實上，風四輻射計真正的核心技術都是掌握在我們自己手裏，風雲四號打的是純正的“中華牌”。
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最後更新：2017-10-08 09:22:01