一部从卫星上观测降水的雷达该怎么设计？这是2006年摆在中国一竞技科技集团有限公司九院704所科研人员面前的一个挑战。从预先研究到雷达上天，一群人整整花了17年时间，让中国人从此可以自主通过卫星实现三维立体降水测量。
今年4月16日，搭载这部雷达的我国首颗降水测量卫星——风云三号G星进入预定轨道。中国人“观云测雨”又多了一项“独门绝技”。降水测量雷达凭借对降水三维结构的探测能力，将帮助我国提升对台风等灾害性天气的监测能力，在气象预报、气候研究、水利应用等方面发挥重要作用。
“解决困难是技术发展的必经之路”
风云三号G星是世界上第三颗降水测量卫星，其主载荷降水测量雷达是我国首部星载降水测量雷达，“自主”二字在雷达研制过程中体现得淋漓尽致。
“这意味着我国首次能在天上以直接测量的方式来测降水。”704所微波遥感室主任江柏森介绍，雷达可对300千米幅宽、海拔18千米以下全球中低纬度地区的降水进行全天时、全天候的双频段、高精度、高灵敏度的连续三维层析主动直接探测。
降水测量雷达主任设计师杨润峰解释，以前气象卫星从天上拍云图类似于拍摄光学照片或拍X光片，只能获得降水的二维分布信息，无法精准获得降水垂直分布情况，难以得知不同海拔地区的降水强度。如今，降水测量雷达相当于给大气做CT，能够通过发射和接收电磁波，来获得降水的垂直特性信息，实现三维层析探测。
从卫星上对降水进行立体探测并非易事，首先体现在雷达系统方案的选择上。团队采用了Ku/Ka双频有源相控阵雷达体制，实现Ka/Ku双频同步观测，将降水测量灵敏度提高到0.2毫米/小时，同时能准确分辨目标是雨、雪，还是冰雹。相比国外产品，风云三号G星降水测量雷达的观测幅宽大幅提高，Ku雷达从250千米提高到300千米，Ka雷达从125千米提高到300千米，且在相同探测灵敏度条件下，垂直分辨率提高了一倍，可以获得更为精细的三维结构信息。
第二个难题体现在雷达天线的研制上——必须克服强烈的地表回波干扰，提升雷达天线的定向性，将更多的能量聚焦到目标上。雷达总体设计师赖光霁介绍，从卫星上测量降水，需要抑制强百万倍的地表回波干扰，这比一般的雷达地表回波抑制能力要超出100倍。
降水测量雷达天线负责人丁克乾回忆，这样的雷达天线，设计难度大，工艺参数控制非常严格，3天才能完成1根天线，成品率很低，无法满足项目研制进度要求。团队通过仿真进行反复迭代并改进工艺，大幅提升了天线的加工速度和成品率。
“虽然遇到的问题很多，但解决困难是技术发展的必经之路。”由于测试及定标的数据量巨大、分析工作繁杂，团队的曹蕾博士设计出一套自动数据处理系统，实现数据分析判断的自动化，大幅提高了测试效率，也避免了人工判断分析数据带来的疏漏。
追云逐雨，始终带着期待
要在复杂的空间环境中工作6年，雷达就必须有个“健康的身体”。
为了确保长寿命高可靠性，团队在地面做足了工作，雷达硬件、软件设计团队开展了冗余、空间环境适应性设计等多种可靠性设计工作。上天之前，雷达累计开展了3000余小时的加电测试，经历了振动、热真空等空间模拟环境考核，进行了全面检验。
杨润峰介绍，为了保证雷达观测数据的准确性，团队为雷达设计了雷达内定标和天地一体化外定标功能，可以进行“从头到脚”式的全链路标定。亮眼数据的背后，是团队用17年时间努力完成的一项项基础性技术攻关。
江柏森不仅对各项技术如数家珍，也细心记录着团队一路“追云逐雨”的点点滴滴。“一次试验返程时突然遇到很好的观测条件，官方下载坚持让飞机多盘旋了几个回合，比原计划晚了一个多小时才返回。虽然机长因为担心降雨天气的飞行安全，脸色不太好看，但好在官方下载拿到了满意的试验结果。”开展挂飞试验时，在6000米高的试验飞机上，他们常常要穿着羽绒服靠吸氧来缓解高空反应。
在新冠疫情防控期间，试验队员们裹棉被、吃泡面，缩在狭窄的车厢里待了十七八个小时奔赴试验场地。“所有队员不畏艰苦、不惧压力，只要卫星在轨工作顺利，观测数据稳定有效，一切都值得。”江柏森感慨道。
704所所长于勇补充道，星载降水测量雷达被称为“空中雨量计”，自开展研制攻关以来，704所坚持开展自主技术创新，成功实现了对全球中低纬度地区降水的高精度三维立体探测，填补了我国自主星载降水三维层析探测数据的空白。“未来官方下载将不断推出更先进的气象探测仪器，进一步为全球气候变化背景下的气象监测、数值预报及气象防灾减灾能力提升提供更有力的支撑。”
（顾航瑜）
