主任设计师殷德奎在红外分光计仪器旁留影
2011年度的上海市科技进步一等奖中，有一项“由中国科学院上海技术物理研究所殷德奎等人完成”的“星载宽光谱大气垂直探测关键技术(风云三号B星红外分光计)”。这是277项科技进步奖中的42项一等奖中的一项，是2011年度上海市科技进步的一个代表。
而了解该项目的人更为知道，作为中国气象卫星发展的一个侧面，这个项目的进程中，包含了几代参与科研人员的各种奉献与希望，各种艰辛与困苦，以及各种收获与平淡。在上海市科技进步一等奖这一荣誉的背后，是外人难以想象的漫漫30年的动荡不安、且走且停、锲而不舍和终成硕果。
这一持续30年的故事的发生与发展，是在中国对发达国家航天科技一路追赶的背景下展开的。
建国初期，外面的世界与我们无关
天气预报的基本原理，是建立一套数学模型，把地球大气当下时刻的温度、压力和湿度输入，然后通过一定的公式预报下一个时刻的温度、压力和湿度（行内人通常简称这三种常数为温压湿）。
对于气象研究人员而言，依据这种方法，要做出准确的天气预报，就必须建立准确的数学模型和获取精确的历史温压湿数据。数学模型应该能够全面细致地描述大气的作用状况。全球温压湿历史数据也应当尽量准确反应地球大气的能量状态，否则再好的数学模型也只能“巧妇难为无米之炊”。
天气的变化，取决于整个地球大气层的大气状况。但是上世纪初期，人们只能在地面测量地表局部的温压湿数据，在人迹罕至的海洋、沙漠、原始森林等地方，获取温压湿数据是不可能之事。
1930年代，苏联发明了无线电探空仪。这种仪器是由温压湿测量仪器集成的很小的一种仪器。把无线电探空仪放置气球上，随着气球升空，就可以逐步收集到气球所经过的各层高度大气中的温压湿数据。较之过去人们只能收集到地面数据，无线电探空仪至少可以提供高空的数据，温压湿的数据从地面二维增加到了空间三维。但是，无线电探空仪与气球的搭配依然无法解决怎样及时获取地球上大面积无人区的温压湿数据的难题。
1950年代，苏联、美国相继发射了人造卫星上天。大约相当时间，两位美国科学家从科学上提出了探测空间温湿的可能性。“探测”和“测量”有着不一样原理。常规测量是直接用温度计测量温度、压力计测量压力和湿度计测量湿度。而探测则指，通过测量大气的光谱数据，来反推出大气的温压湿数据。
1960年代，卫星大气探测法最先从美国兴起。事实上，人类真正有能力对天气进行“预报”，也只是这个时期才开始的。
所有以上，是红外分光计的历史源头，不过，这些都与同时期的中国无关。
搭上“风云”卫星，不曾想要等待如此之久
1969年周恩来总理提出了“应该搞我们自己的气象卫星”。而气象卫星的具体研制则在1977年开始。自1988年以来，我国已连续成功发射了风云一号A、B、C、D四颗星和风云二号A、B、C、D、E、F六颗星，它们主要观测地表和云、获取卫星云图。
气象卫星首先提供的服务是绘制云图，就是我们每天在天气预报节目中看到的云图。云气的分布如何，高云、低云的判断，温度多少的测量，是绘制云图中的关键。云图绘制的发展，不但推动了气象学的发展，也推动了海洋学等相关学科的发展。重要的是，云图不仅气象部门需要，也有其他诸多部门需要。
在解决了云图“看图识字”之后，气象卫星要解决天气与气候的定量预报，即三维空间的大气探测的问题。需要三维空间的大气数据的用户主要有国家气象部门等。1970年左右，中国气象局成立了国家卫星气象中心。并组建了701工程，其中心任务就是探测大气的温压湿数据。
这其中，红外分光计，作为探测大气温度和湿度的主要仪器逐渐被提上日程。根据探测器接收的红外辐射随高度或压力的变化关系、反演出大气温度与湿度的垂直分布，最终探测出大气温度和湿度廓线，这是红外分光计的理论基础，被认为是可以转化为实践的。
然而，好事多磨。1970年代末上海技术物理研究所就开始计划研究红外分光计，但直到2008年，风云三号A气象卫星上天，上海技术物理研究所所研制的红外分光计，才第一次飞上太空，实现中国自造红外分光计的首次应用。
这一路，竟然走过了30年。
从1980年到2000年的预研，心存念想并忐忑坚持着
红外分光计中的探测器(传感器)在“看”到光的时候，就会产生光电反应。这种光电反应的结果，一方面决定于光的波长，另外一方面决定于光的能量。
所谓分光，就是首先将光分为不同的波长区间，比如将波长3微米到4微米分为一个区间。具体如何划分区间，由做大气理论研究的人来决定。对于做红外分光计的人来说，重要的是制作出恰好可以接收到这一波长区间光谱的仪器。这些波长区间，被称为“通道”。
红外分光计的进化，一般来说是按照通道从少到多，探测越来越精细化的路线而发展的。
牛顿可能是最早的分光大师，他通过棱镜将白光分为了多种颜色的光。红外分光计并不是用棱镜来分光的，而是用滤光片。制作精良的滤光片可以把其他波段的光先行过滤掉，从而只接收具体通道的光波。
通过滤光片所得到的具体通道的光，再被传感器感应，就会产生相应的电信号。通过电信号，人们也就相当于“看”到了这些光。
通过滤光后传感器所感受到的通道信号，比如今天与昨天不同或各地不同，则说明大气能量的时间与空间分布产生了变化，具体如何变化，由做理论计算的人根据数学模型进行反演。
大气的成分，比如二氧化碳，水汽，臭氧，对特定波长的光能量有吸收能力。所以，当地球和大气发出的光能量经过这些大气成分时，一部分能量会被吸收。通过分析红外分光计一系列吸收区通道所获得的光能量的数据，就可以推算不同高度大气的温度和湿度了，还可以反推出臭氧、云、气溶胶等大气成分的含量。
如此原理由美国科学家首先提出，而且1960年代就开始研究了。
红外分光计的责任，就是获得具体波长范围内的光的能量变化数据。
由于原理、仪器的最初设想都来自发达国家。所以，在这三十年的研制中，红外分光计研究团队一直紧紧跟踪国外发展情况，表现最明显的就是他们前后研究的三种预研机的通道数目的变化。1980-85年研制的Ⅰ型机包含9个通道，1986-91年研制的Ⅱ型机包含了20个通道。1995年到2000年研制的Ⅲ型机包含了26个通道。
问题在于，虽然一直紧跟国外发展，但因为没有应用导向，所以一直没有机会研制型号机。如此一来，做这些跟踪型的实验室研究，就不会得到稳定的经费支持。少有经费，就不可能有稳定的队伍。在十多年的时间里，上海技术物理研究所的这支研究队伍，一直在随时断粮的后顾之忧中坚持着。
1990年代初，国家开始研讨风云三号卫星的可行性，情况出现了转机。
2000年9月，国务院批准红外分光计立项。此时恰逢Ⅲ型机研制完成。在20年的预研积累之后，国家气象局，唯一的需求方，终于招手。
首次上天，铩羽而归
要进行航天应用，研究团队所面临的更大挑战就出现了。上天之后仪器必须连续性地稳定工作，在3年的运行周期内不能出现任何问题。这是地面预研所不需特别考虑、而在卫星应用时必须面对的主要考验。空间环境与地面非常不同，很多部件、尤其电机的设计，必须重新来过。
风云三号A星机最终在8年的艰苦奋斗后研制成品并搭乘风云三号上天。但是很遗憾，这台红外分光计在卫星上天后运行短短约3个月，就发生了故障而走走停停、直至关机。气象部门需要的资料必须是连续和完整的。作为用户他们自然对这样的产品不满意。
因此，研究团队彼时最需要做的工作就是对A星机的问题进行分析。找出问题的真正原因、并确定解决措施，也就是航天领域所说的“归零”。在过去20年的预研中，一些老同志长期探索，对红外分光计已经产生了很深的感情，而当自己的作品在卫星上失效时，很多人一时接受不了，也不能认清首次上天所遇到的问题。
在各种积蓄的复杂情绪下，要保持冷静分析问题原因，提出有效的改进方案，非常困难。在这个艰难的时期，时任A星机主任设计师的王模昌年满退休，所领导研究决定副主任设计师殷德奎升任主任设计师，开始全面负责工作。
项目组主要成员 殷德奎（中）、袁杰（左）、王培纲（右）在实验室留影
殷德奎首先要做的关键工作是率领团队找出仪器失效的问题所在。事实上，如果没有找出问题所在，或者把运行良好的地方误认为是问题起因，接下来提出的解决办法肯定将因错而错、一错再错。二十多次的归零工作讨论极其激烈，一些资深专家和殷德奎之间甚至有着很大的认知差别。不管怎样，作为主任设计师，殷德奎必须在所里组织讨论，请单位里其他部门甚至外单位的专家一起会诊。在评审、外部问责期间，殷德奎必须全力以赴。这个持续一年的工作，波折颇多，大家最终同意了（并未完全一致）殷德奎将问题定位于“电机及其控制”的意见。
殷德奎，1999年从南京理工大学博士后出站，以人才引进方式进入上海技术物理研究所。正好赶上2000年9月份国务院批准风云三号立项。从那时开始他就参与了型号机的研制。其时王模昌任主任设计师，殷德奎则任副主任设计师。他的学识和工作积累，使得他的看法在这次的技术争论中占了上风。
找出问题所在之后，就需要提出接下来改进的方案了。在这个工作中，殷德奎和袁杰用心良多，殷德奎对整个问题的归零有着清晰的认识。袁杰则一直负责电机的研制，而这正是A星机的问题之一，他自然也有更多的发言权。他们团结项目组成员进行了设计更改和有效性验证，最终通过了航天集团公司组织的评审。
重整旗鼓，终结硕果
殷德奎作为主任设计师，必须解决的第二件急迫事情是风云三号B星机的研制。由于对A星机“归零”已经认识清楚，所以B星机的研制，他已经有比较清晰的思路。考虑前车之鉴，他们对电机重新进行了设计，要求非常严格。有的仪器元部件他们自己亲自制作。交由外面厂家来做的，他们也深度介入设计和加工。比如为生产一种关键高速电机，课题组成员曾持续大半年的时间与贵州的一个厂家深入沟通，甚至常驻在该厂，仅差旅就花费达十几万元，最终生产出了高稳定度、高转速电机。
另外一个重要问题是作为“仪器大脑”的星上软件编制。作为等级较高的软件，星上软件本来编写起来就很复杂。由于A星机出现故障，之前的程序必须进行大面积的修改。7千行的汇编语言软件代码，最终改动了一半以上，最后也通过了第三方评测和试验考核。
对原有问题进行改动是新工作开展的前提。而新工作――B星机的研制，也需要按部件分工，各小组各司其职按照进度要求予以完成。张麟小组负责了滤光片的研制。滤光片的主要作用是分光。他们发明了一种利于滤光的镀膜材料，在国际上与发达国家如美国相比，也不落下风。李向阳小组负责红外探测器的研制。红外探测器主要为光信号转化为电信号服务。这其中，他们需要获取一种特殊的半导体，能够灵敏而又准确地进行光电转换。这个工作需要一次次试验，海选材料从而选出最合适的材料制成器件。袁杰小组则负责关键的运动部件的制作。
研制的过程中有很多难以想象的困难。研制之后的试验，同样艰难。有一种称为“定标”的试验，在每一次将红外分光计送上卫星发射之前都需要做一次，每次用时一个月以上，用来测试仪器的指标。仪器运行状况需要在模拟太空环境下进行检查。而这样的环境必须是深低温和高真空的。一旦设置了仪器的工作状态，工作人员必须在实验室里连续性值班，而不论白天黑夜。在一次定标试验中，由于长时间辛劳，殷德奎患了带状疱疹。但是这种试验要求主要人员不能离开以防特殊情况发生，所以他必须忍着刺痛在实验室坚持工作。
红外分光计风云三号B星机项目组成员在实验室留影
袁杰是风云三号B星红外分光计项目排名第二的负责人。他大学毕业就到上海技术物理所工作，至今已经二十年了。同批进入上海技术物理研究所的同事，现在只剩下他一个人了。
排名第三的王培纲已近70岁，是从开始预研就在这个项目组的元老。他说，30年来，他就干了这样一件事：研制红外分光计。和王培纲类似工作经历的还有一些人，他们在红外分光计的研制上投入了自己人生中最美好的年华。
虽然2008年5月发射的风云三号A星机铩羽而归；但紧接着2010年11月风云三号B星机发射后，在轨运行完全达到了使用要求。
风云三号B星机，上天运行至今已经过去17个月了，一切稳定。中国气象局收到了长期稳定的数据――这在中国的气象史上是第一次。至此，关于A星机的各种争论，都随着B星机的成功消散了。2013年，风云三号C星机也要上天，这至少表明了国家气象部门对于上海技术物理研究所研制的红外分光计的认可。
未完待续
上海市科学技术奖励管理办公室公布的针对“星载宽光谱大气垂直探测关键技术(风云三号B星红外分光计)”的简介，如下：
本项目是2000年国务院批准立项研制的风云三号气象卫星的主要遥感仪器之一……是国内第一台此类遥感仪器。通过长期研究，自主掌握了红外分光计所采用的宽光谱大气垂直探测关键技术。红外分光计遥感数据的风云三号卫星资料已开始在国民经济十几个领域获得广泛应用。风云三号卫星已纳入世界气象组织(WMO)全球业务气象卫星观测网，向亚欧美等几十个国家提供卫星资料和气象产品。
这几句经过无数次推敲的“简”介，是对这一项目最为精炼且中肯的说明和评价。
而这个项目科技意义背后的故事呢，那些在红外分光计的研制过程中，无论国家贫穷或是富强，无论科技落后还是发展，始终为着存在的意义而坚守的人们，不是更值得我们去关注吗？
关于上海技术物理所红外分光计的故事，下期《走近科学》我们继续。