2022年8月4日11時08分，由航天科技(000901)集團五院遙感衛星總體部抓總研制的陸地生態系統碳監測衛星（以下簡稱“碳星”），在太原衛星發射中心由長征四號乙運載火箭成功發射。在碳星發射前，我國傳統的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，碳星的應用將改變這一現狀，標志著我國碳匯監測進入天基遙感時代。

記者從航天科技集團五院獲悉，空間碳匯監測是“雙碳”目標的關鍵工作之一，此次成功上天入軌的碳星還攜帶著由航天科技集團五院508所研制的三件“神器”。據了解，這三件“神器”將在日后的“碳匯”量化監測和全球“碳家底”摸排中發揮至關重要的作用。

神器1

(資料圖片)

追捕葉綠素熒光的“奇幻之眼”

葉綠素熒光的探測直接關系大尺度的植被光合作用動態監測，葉綠素熒光于綠植中無處不在，其光譜范圍狹窄，只有納米級寬度。此外，其能量在植被反射能量中又非常微弱，只有1/50的量級。

為了追捕葉綠素熒光，航天科技集團五院508所研制了超光譜探測儀。該探測儀具備高光譜分辨率、高信噪比、高穩定性等技能優勢。

超光譜葉綠素熒光探測儀。航天科技集團五院供圖

據航天科技集團五院介紹，在高光譜分辨率方面，這只“眼睛”的光譜采樣率為0.1nm，能夠把670nm至780nm之間渾沌在一起的光按次序分成1100份細光，也就是把這段渾沌光的顏色分成1100個漸變的色彩，這樣就能夠更有效地尋找躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素熒光。

在高信噪比方面，這只“眼睛”的信噪比很強大，葉綠素熒光能量比其背景能量小50倍，這只“眼睛”卻能夠把比背景能量小200倍的東西一覽無余，因此，即便是在微亮的晨曦，或是昏暗的傍晚，也能夠對葉綠素熒光進行無死角探測。

同時這臺超光譜探測儀還具有高動態范圍和高穩定性的探測優勢。它不僅能在強光里運作，其自身還攜帶了高品質的星上定標裝置，在軌利用特性永恒的太陽能(000591)量不斷地進行光譜和輻射定標，進行穩定精準探測。

神器2

掃射森林的天外“奇妙之尺”

激光雷達作為一種主動遙感技術，除了能獲得距離信息，還能獲得物體本身的一些特性，而這些信息就隱藏在激光的波形信號里。

當激光從雷達照射到森林時，光束首先到達樹頂，一部分激光被樹冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙向下穿透，再被樹木中間的樹葉、枝干反射回去，最后一部分激光到達地面，被地面反射。這樣，就能得到樹冠、中部、地面的回波，科研人員根據冠層和地面回波的時間差，就可以計算樹高。

航天科技集團五院介紹，要在500公里的衛星軌道上實現這一目標，非常困難。首先，由于衛星軌道太高，大部分的激光能量都在路上耗散了。其次，激光發射和接收系統還必須精確地對準地面同一個目標，在500公里之外偏差不能超過55米，這樣才能保證反射回來的光被接收到。并且要求整個激光雷達在經歷了火箭發射段的振動、太空失重、入軌后冷熱交變的太空環境后，指向不能發生改變。

航天科技集團五院508所多波束激光雷達研制團隊，攻克了大功率高頻激光器、超高靈敏度微弱信號探測、高精度收發光學系統設計裝配等關鍵技術，解決相關難題。

據了解，陸地生態系統碳監測衛星是我國首個以林業探測為主任務的衛星，也是我國首個以激光雷達為主載荷，進行對地觀測的衛星。多波束激光雷達也創新性地采用了主被動一體化的方式進行探測，首次將負責主動探測的激光雷達和被動探測的遙感相機集成到一臺載荷上。

激光雷達可以獲得森林的垂直高度信息，但它的探測方式是打點，無法回避光斑之間間距較大的遺憾。而遙感相機可以獲取大范圍地面圖像，研制團隊將點探測與面探測有機結合起來，從而獲得大范圍森林信息，最終巧妙達到1+1>2的效果。

另外，為了提高探測效率，多波束激光雷達的波束數量和重復頻率大幅提升。相較我國目前在軌的激光雷達，該星多波束激光雷達為5波束40Hz，每秒可獲得200個地面光斑信息，光斑間距低至180米，探測效率提升33倍。

激光雷達和多光譜相機。航天科技集團五院供圖

神器3

三維立體瞰森林的“多目精靈”

一般的遙感應用通常采取垂直對地觀測的方式，隨著太陽高度角及觀測角度的變化，常常使得所觀測的同一地表物體因其反射、輻射信息的很大差異而獲得不同的反饋信息，從而降低了對目標物的識別精度和對其參數反演的準確度。

多角度多光譜相機是我國首個五角度可見光探測相機。在對植被的觀測中，可以分別從垂直0度、正負19度、正負41度5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數據，獲得更為詳細可靠的地表三維空間結構信息。

據航天科技集團五院介紹，原來一臺相機從人的頭頂經過，垂直觀測，只能看到人的頭頂。現在拍攝角度多了，不僅能看到人的頭頂，還能看到其面部、后腦勺、前胸后背等多方面、多維度的信息。據了解，該衛星增加了基礎參考信息量，不僅能看清森林冠頂，還能看清它的側面，這樣就能知道森林的疏密分布、健康、長勢甚至病蟲害情況。

同時，這五個角度在觀測光譜的選擇上“暗藏玄機”，設計上它還能“看”出森林的健康情況，進而推算其固碳能力。由于森林葉綠素含量、冠層結構不同，植被葉片在紅邊波段的反射率會發生突變，將達到一個明顯陡峭的斜坡。

據介紹，業界認為，品質好的植被其反射率大幅度上升，因此其斜坡斜率越大說明植被越健康。正是利用這個特點，科研人員設計時將其中兩臺大角度觀測相機全色譜段改換為紅邊譜段，而其余的小角度觀測相機仍采用了傳統可見光波段設置，這樣能更加全面準確地用于觀測植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲害、生物量估算等。

值得注意的是，其“體態”非常輕盈，單臺不超過20公斤。

多角度多光譜相機（其中的兩臺相機）。航天科技集團五院供圖

■ 延伸

成功搭載了交通四號衛星和閔行少年星2顆小衛星

記者從國家航天局獲悉，8月4日11時08分，我國在太原衛星發射中心采用長征四號乙運載火箭，成功發射首顆陸地生態系統碳監測衛星“句（gōu）芒號”。該衛星將在碳儲量監測、生態資源詳查、國家重大生態工程監測評價等方向提供遙感監測服務，為“美麗中國”發揮遙感力量。

“句芒號”衛星是國家民用空間基礎設施中長期發展規劃中的科研衛星，運行于高度為506公里、傾角97.4度的太陽同步軌道。通過激光、多角度、多光譜、超光譜、偏振等綜合遙感手段，實現植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素熒光等要素的探測和測量，將廣泛應用于陸地生態系統碳監測、陸地生態和資源調查監測、國家重大生態工程監測評價、大氣環境監測和氣候變化中氣溶膠作用研究等工作，還將服務高程控制點獲取、災害監測評估、農情遙感監測等需求。

本次任務還成功搭載了交通四號衛星和閔行少年星2顆小衛星。據了解，交通四號衛星是由中國交通通信信息中心和北京和德宇航技術有限公司共同研制的第三顆VDES試驗衛星，整星重量約40kg，該星入軌后，主要開展VDES（VHF Data Exchange System，甚高頻數據交換系統）載荷、遙感載荷的功能及性能測試，并與和德宇航已經在軌運行的其他七顆衛星開展物聯網系統通信體制、協議試驗驗證。

此外，該星主要提供全球海上船只定位、運行狀態檢測以及船與船、岸與船和星與船之間的窄帶數據雙向通信服務，在未來水上應急、安全監管、主權維護等方面發揮重要作用，同時，作為全球新一代海洋通信系統，星基VDES系統將為我國交通強國、海洋強國戰略以及國家信息安全提供重要保障。

記者從航天科技集團八院了解到，另外一顆衛星命名為閔行少年星（零碳小先鋒），由上海市閔行區教育局、上海航天空間技術有限公司及相關企業基于科普教育和科學試驗聯合研制。

該衛星上裝載的高光譜溫室氣體成像儀源于學生創意，成于航天專家研發，意味著青少年親身參與的“巡天探地”方案步入實踐應用階段。衛星通過一段時間的在軌運行，會把孩子們送給太空的禮物、歌唱祖國等音視頻，通過特定的形式從太空中傳輸下來，有利于系統性地組織測控模擬、測控演練、衛星應用等一系列航天科普活動。

新京報記者 張建林

編輯 樊一婧 校對 陳荻雁