李春來：研制太空尖端“相機”

劉江

2016年9月15日是中秋節(jié)，在這個闔家團聚的日子里，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射入軌。作為我國第一個真正意義上的太空實驗室，天宮二號上裝備了很多高科技裝置，如寬波段成像光譜儀——一臺由中國科學院上海技術(shù)物理研究所的科學家團隊耗8年心血研制而成的太空尖端“相機”。

作為該團隊的一員，李春來與有榮焉。

遇到遙感界的一場革命

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

李春來如今尚處而立之年，但自2009年博士畢業(yè)于中國科學院上海技術(shù)物理研究所以來，他已經(jīng)先后參與了環(huán)境一號衛(wèi)星有效載荷紅外相機、實踐九號衛(wèi)星長波紅外相機、嫦娥三號科學載荷紅外光譜儀等多個航天型號任務，其參與研發(fā)的“多維精細超光譜遙感成像探測技術(shù)”獲得了2011年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。現(xiàn)在的他，是嫦娥四號科學載荷紅外成像光譜儀主任設(shè)計師、嫦娥五號科學載荷月球礦物光譜分析儀副主任設(shè)計師和國家“高分辨率對地觀測”重大專項航空載荷“全譜段多模態(tài)成像光譜儀”的主要技術(shù)負責人。

能夠取得以上這些成就，很大程度上得益于李春來的研究方向。從博士時期開始，他就跟隨我國著名的成像光譜技術(shù)專家王建宇研究員，針對空間紅外與高光譜成像技術(shù)開展了系統(tǒng)性的研究工作。李春來說：“高光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)是遙感界的一場革命，它使本來在寬波段不可探測的物質(zhì)能夠被探測，具有重要的戰(zhàn)略意義。在可見光短波紅外波段高光譜遙感迅速發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，我們團隊將研究重點逐漸放在了如何在熱紅外波段實現(xiàn)高光譜成像，這對于在地球觀測和軍事探測等領(lǐng)域進行高光譜遙感研究具有獨特優(yōu)勢?！?/p>

任何技術(shù)的研究都是為了應用，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窗口，能夠通過搭載記載或衛(wèi)星平臺來獲取地物的精細圖像光譜信息，從而有效地識別地物、分辨目標，在地質(zhì)勘測方面可以發(fā)揮較大作用。同時，還可以廣泛應用于大氣污染探測、城市環(huán)流分析、環(huán)境災害監(jiān)測等方面。

從上個世紀90年代開始，李春來所在的研究室就針對成像光譜技術(shù)開展深入研究，并逐漸將其裝載到航空/航天平臺上去。近幾年，他們將其應用到國家的重大工程項目中，為國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了一定的作用，特別是在科技領(lǐng)域，其所在的團隊已經(jīng)在國際上具有一定的知名度。李春來說，基于這些成果，其團隊獲得了2011年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

給月球拍張照

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

2013年12月14日晚，“嫦娥三號”月球探測器成功登月，在月表虹灣附近實施軟著陸。此時，絕大多數(shù)民眾歡欣鼓舞，而李春來所在的中國科學院上海技術(shù)物理研究所空間主動光電重點實驗室中，則彌漫著一股興奮而緊張的氛圍。興奮在于“嫦娥三號”的成功登月，而緊張則因為月球探測器登月只是開始，對他們的考驗尚未結(jié)束，遠不是放松的時刻。

我國的探月工程起步較晚，相比發(fā)達國家屬于落后的狀態(tài)。探月工程的重點，并不在于登上月球，而在于獲取月球的信息。隨著探月工程的進一步深入，對信息獲取技術(shù)的要求也隨之提高。月球表面反照率低，紅外光譜信號極其微弱，紅外成像光譜儀難以維持高靈敏度獲取。針對這一問題，李春來及其科研團隊負責了“嫦娥三號科學載荷紅外成像光譜儀”項目，突破了凝視型紅外成像光譜儀的微弱光譜信號獲取等關(guān)鍵技術(shù)。

2013年12月23日北京時間上午10時10分，紅外成像光譜儀月面首次開機，順次完成探測及定標模式在軌測試，這是國際上首次完成的月面就位寬譜段圖譜集成同步探測及定標?！爸钡竭@個時候，我們才全體把心放回肚子里。”李春來感慨地說。

項目結(jié)束后，探月工程地面應用系統(tǒng)給出的結(jié)論是：“CE-3紅外成像光譜儀可見近紅外圖像數(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，可見近紅外通道圖像清晰，其光譜范圍、信噪比、動態(tài)范圍等指標均滿足任務要求。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?！被诖隧梽?chuàng)新性成果，團隊獲得于2014年國家五部委聯(lián)合頒發(fā)的“探月工程嫦娥三號任務突出貢獻單位”獎。成果獲得2015年度中國工程光學學會創(chuàng)新獎一等獎。

完成首臺機載熱紅外成像光譜儀

近幾年，李春來所在的團隊主要進行的就是熱紅外譜段高光譜成像儀器研究工作。在“十二五”國家“863”重點項目“星載紅外高光譜成像載荷研制”中，作為項目副組長，李春來面對的是“如何制造出我國第一臺在熱紅外譜段的成像光譜儀器”的任務?！斑@是在我國國內(nèi)第一次開展該類儀器的研發(fā)，而國外的材料又很難拿到，只能通過不斷地摸索來進行。所以我們前期就花了近兩年的時間來進行調(diào)研和系統(tǒng)設(shè)計工作，在反復權(quán)衡中決策到底怎么來做這個項目?！?/p>

李春來補充說：“等到弄清楚該怎么做之后，我們又面臨兩個難題，一是在這個儀器上要求首次實現(xiàn)低溫光學，把光學系統(tǒng)制冷到零下兩百度左右，并且實際應用到儀器當中去；第二個是在熱紅外譜段如何實現(xiàn)光譜精細分光后的高質(zhì)量成像。在這一點上，目前世界上也只有美國開展了這方面的研究工作?！?/p>

最后，研究團隊提出并實現(xiàn)了“推掃成像+延伸波長探測器+色散型分光+低溫光學+實時定標”的總體技術(shù)路線，組織攻關(guān)完成了我國第一個100K機械制冷的低溫光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了波長延伸至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。

該項目完成了我國第一臺熱紅外成像光譜儀，儀器于2015年6月成功開展了航空校飛，其指標與美國JPL實驗室2014年完成的MAKO系統(tǒng)相當，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展，得到國家有關(guān)部門高度評價，并且作為優(yōu)秀項目代表參加了2016年5月在北京舉辦的國家“十二五”科技成就展。以上學術(shù)成果和創(chuàng)新點還應用到我國“高分辨率對地觀測”重大專項“全譜段多模態(tài)成像光譜儀”中，李春來在該項目中擔任副主任設(shè)計師崗位，負責熱紅外模塊的工程研制。

李春來說：“為了完成這個項目，整個團隊前前后后無數(shù)個夜晚不眠不休做研究和實驗。過程確實很艱難，但也正因為此，成功的果實才格外芬芳香甜。我們付出了數(shù)年的努力，最后獲得了國家層面的認可，是非常有榮譽感、很開心的事情?！?/p>

在李春來看來，能夠取得這諸多殊榮主要歸功于他所在的團隊——中國科學院上海技術(shù)物理研究所。他說：“我們這個團隊在國內(nèi)的學術(shù)影響力比較大，能夠獲取的科研資源也相對較多。再加上這是一個年輕的團隊，除團隊帶頭人之外，其余均為青年科研人員，整個團隊充滿了活力?！崩畲簛硗嫘φf，目前在國內(nèi).很多科研團隊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，有著其他團隊難以比擬的優(yōu)勢。

作為青年科技工作者，李春來認為，對科研工作的熱愛是一切鉆研的前提：其次則要耐得住寂寞，因為科研工作很難在短期內(nèi)出成果。在李春來看來，勤勤懇懇地做好自己的本職工作，就一定會有回報。