明者因時(shí)而變 智者隨世而制

于子平

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，惟創(chuàng)新者進(jìn)，惟創(chuàng)新者強(qiáng)，惟創(chuàng)新者勝。

——習(xí)近平

長(zhǎng)期以來，我國(guó)氣象探測(cè)的科學(xué)研究人員與人工影響天氣的工作者們，一直被兩大問題所困擾：探測(cè)裝備依賴進(jìn)口、作業(yè)裝備缺少先進(jìn)性。高昂的進(jìn)口價(jià)格，低效率、低可靠性、低安全性的裝備嚴(yán)重制約我國(guó)氣象產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！奥浜缶鸵ご颉边@句話仿佛巨石一樣壓在氣象工作者的心頭，同時(shí)也是對(duì)我們工程科研人員的挑戰(zhàn)。

為開發(fā)一系列用于氣象與人工影響天氣的先進(jìn)技術(shù)裝備，2009年2月，中國(guó)氣象科學(xué)研究院與中國(guó)兵器科學(xué)研究院簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。

時(shí)光荏苒、春秋幾度，兩院科研人員聯(lián)合多家國(guó)企歷經(jīng)艱辛，通過無數(shù)次轉(zhuǎn)戰(zhàn)南北的驗(yàn)證試驗(yàn)，多省市人工影響天氣辦公室組織的試用，并經(jīng)過多名院士組成的專家組鑒定，終于在2015年推出了一整套用于氣象探測(cè)和人工影響天氣作業(yè)的系列裝備，該系列共有十五種產(chǎn)品，均冠以“中兵人影”品牌。其中多項(xiàng)探測(cè)裝備完全是自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并可以替代進(jìn)口，有些人工影響天氣作業(yè)技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界同類產(chǎn)品，用鑒定專家的話說“系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其一體化系統(tǒng)的綜合性達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平?！?/p>

2008年8月8日，奧運(yùn)圣火跨越了半個(gè)地球，從遙遠(yuǎn)的赫拉神廟來到北京。當(dāng)神圣的火焰在鳥巢燃起時(shí)，舉國(guó)歡騰，中國(guó)人的百年奧運(yùn)夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)。

在盛會(huì)背后，有無數(shù)的氣象科學(xué)工作者特別是人工影響天氣工作者做出了卓越的貢獻(xiàn)。開幕式前，風(fēng)雨由西而來，一路向東，覆蓋了門頭溝、海淀。而幾公里外的烏巢依然燈光燦爛，順利完成了開幕式的表演。

奧運(yùn)氣象保障的工作圓滿完成，背后的故事卻讓很多科學(xué)工作者陷入了沉思。這次保障中我們應(yīng)用了許多進(jìn)口設(shè)備，其中維修保障不便，高端技術(shù)對(duì)中國(guó)的禁運(yùn)等等多重困難讓保障人員舉步維艱。當(dāng)時(shí)中國(guó)氣象科學(xué)研究院人工影響天氣中心主任一郭學(xué)良研究員，是這次奧運(yùn)保障的主要技術(shù)人員之一，他深深感受到我國(guó)氣象保障裝備和人工影響天氣裝備在技術(shù)水平上與國(guó)際的差距，這正是我們碰撞并達(dá)成聯(lián)合研發(fā)合作意向的前因。

中國(guó)兵器科學(xué)研究院成立于1963年，作為我國(guó)兵器裝備科研引領(lǐng)單位，幾十年來為共和國(guó)貢獻(xiàn)了多種先進(jìn)的技術(shù)裝備。特別是改革開放以來，在先進(jìn)的制造業(yè)帶動(dòng)下，兵科院的自動(dòng)裝備、智能裝備、信息化裝備等為共和國(guó)的國(guó)防事業(yè)鑄就了新的鋼鐵長(zhǎng)城。近幾年來兵科院的雷達(dá)技術(shù)、微波技術(shù)、激光技術(shù)屢屢走在共和國(guó)的技術(shù)引導(dǎo)地位。

郭學(xué)良主任恰恰看好這一點(diǎn)，在我們洽談合作伊始就瞄準(zhǔn)了這些高端技術(shù)。于是我們二人根據(jù)需求與能力策劃了“中兵新型人工影響天氣系統(tǒng)”，這些裝備的技術(shù)指標(biāo)都瞄準(zhǔn)了世界先進(jìn)裝備，甚至某些綜合技術(shù)達(dá)到了超越和領(lǐng)先水平。

當(dāng)時(shí)我的心里很忐忑，對(duì)能否實(shí)現(xiàn)這些裝備技術(shù)的突破還有些疑慮。但心中的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)讓我們義無反顧地投入到系統(tǒng)的研發(fā)工作中。為祖國(guó)的氣象現(xiàn)代化步伐添磚加瓦，用我們的肩膀扛起祖國(guó)氣象裝備技術(shù)突破提高的重任，要讓祖國(guó)的氣象裝備技術(shù)走進(jìn)世界先進(jìn)行列。

目標(biāo)有了，接下來的就是一路的摸爬滾打、過關(guān)斬將。走前輩沒有走過的路，開發(fā)國(guó)內(nèi)沒有的元器件，研究國(guó)內(nèi)沒有的技術(shù)。從市場(chǎng)到實(shí)驗(yàn)室，從零部件到整機(jī)，一路攻關(guān)、一路拼搏。當(dāng)我們的團(tuán)隊(duì)如攻堡壘一樣，完成一個(gè)個(gè)既定目標(biāo)時(shí)，我們能感覺到，自己的心臟與祖國(guó)創(chuàng)新的脈搏一起跳動(dòng)著?！爸斜擞啊毕盗醒b備的研發(fā)歷程，每一步都是在這種特殊需求中創(chuàng)新發(fā)展起來的，當(dāng)我們的科技人員能站在國(guó)家的高度去工作、去實(shí)踐創(chuàng)新的時(shí)候，動(dòng)力源泉便不會(huì)枯竭。

X波段雙偏振雷達(dá)：

雙偏振技術(shù)當(dāng)時(shí)是世界剛剛起步的一種新型雷達(dá)技術(shù)，其中的固態(tài)發(fā)射裝置及應(yīng)用技術(shù)、雙偏振雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)、加工技術(shù)等，在我國(guó)還從未使用過，留學(xué)英國(guó)的李春化博士，挑起了研發(fā)該雷達(dá)的重任。

在我國(guó)的雷達(dá)教科書上是這樣描述在天氣雷達(dá)中使用脈沖壓縮技術(shù)的：在天氣雷達(dá)中很少采用脈沖壓縮體制。類似的敘述也出現(xiàn)在《多普勒天氣觀察》一書中。但對(duì)于為什么在天氣雷達(dá)中不采用或很少采用脈沖壓縮技術(shù)，這些經(jīng)典著作中并沒有詳細(xì)說明。

在方案設(shè)計(jì)階段，大家對(duì)是否采用固態(tài)發(fā)射體制在項(xiàng)目組內(nèi)部進(jìn)行了深入討論，因?yàn)椴捎霉虘B(tài)發(fā)射機(jī)則意味著必須采用脈沖壓縮技術(shù)，而脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達(dá)中卻很少被采用，這意味著937S～偏振天氣雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)存在著一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。但是從國(guó)際先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展中，雙偏振雷達(dá)不僅可以解決冰雹云的探測(cè)同時(shí)也為氣象雷達(dá)的發(fā)展開拓了新的技術(shù)思路。而固態(tài)發(fā)射技術(shù)正是這種雙偏振雷達(dá)的核心技術(shù)。所以，風(fēng)險(xiǎn)要承擔(dān)，難點(diǎn)也必須要攻克。

當(dāng)時(shí)我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)做了總體分析一致認(rèn)為：限制脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達(dá)中的使用原因不外乎三個(gè)：（1）大氣對(duì)電磁波的色散導(dǎo)致脈沖壓縮濾波器失配；（2）多普勒失配及距離耦合導(dǎo)致測(cè)距精度下降；（3）距離旁瓣引起的距離加權(quán)造成的功率泄露使得強(qiáng)目標(biāo)對(duì)弱目標(biāo)有壓制作用。

經(jīng)過論證分析我們也得出三個(gè)結(jié)論性意見：（1）大氣對(duì)X波段電磁波有很大衰減，但只影響強(qiáng)度的衰減，其色散效果可忽略不計(jì)，對(duì)強(qiáng)度的影響表現(xiàn)在遠(yuǎn)距離回波較近距離回波衰減大，表現(xiàn)在時(shí)間波形上為幅度調(diào)制，這種隨距離的衰減是對(duì)回波幅度的預(yù)調(diào)制，對(duì)抑制距離旁瓣是有利的。（2）云的多普勒頻率相對(duì)于調(diào)頻帶寬小很多，由最大多普勒頻率引起的距離耦合只有2.5m，相對(duì)于150m的距離精度而言可以略。（3）線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)的距離旁瓣高，是限制脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達(dá)中應(yīng)用的主要因素。

因此，為了將脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于天氣雷達(dá)，必須設(shè)計(jì)超低旁瓣脈沖壓縮波形。項(xiàng)目組通過包絡(luò)預(yù)加權(quán)、窗函數(shù)加權(quán)等手段，設(shè)計(jì)出了距離旁瓣達(dá)到-56dB的非線性調(diào)頻信號(hào)，從而保證了脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達(dá)中的應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)的波形中，時(shí)寬T=33.7us，帶寬B=3MHz，時(shí)寬帶寬積為101，仍屬于小時(shí)寬帶寬積信號(hào)。若使用時(shí)寬帶寬積大于200的大時(shí)寬信號(hào)，其距離旁瓣可達(dá)-70dB，完全可以滿足脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達(dá)中的應(yīng)用需求。endprint

我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)點(diǎn)排除困難，一點(diǎn)點(diǎn)通過驗(yàn)證試驗(yàn)摸索新技術(shù)的思路，將一部新技術(shù)帶動(dòng)下的雷達(dá)推到了國(guó)人面前。

多通道微波輻射計(jì)：

微波輻射計(jì)的整個(gè)方案和技術(shù)路線的制定過程中，充分考慮了國(guó)內(nèi)的機(jī)械加工、材料、微波毫米波器件、電子集成和工藝能力、測(cè)試設(shè)備等基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，以及我國(guó)氣象研究和人工影響天氣事業(yè)的實(shí)際需求。

系統(tǒng)整機(jī)及其絕大部分的組成都立足于國(guó)內(nèi)技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了很高的國(guó)產(chǎn)化率。輻射計(jì)采用360°精密步進(jìn)轉(zhuǎn)臺(tái)，K、V雙波段偏饋拋物反射面和低副瓣的波紋喇叭天線組件，平方率檢波方式和精密恒溫的數(shù)字視頻接收機(jī)。大氣廓線反演算法采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型，三層節(jié)點(diǎn)通過權(quán)重函數(shù)連接?；诖罅繜o線電探空資料，構(gòu)造BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本集，以MWMOD模式計(jì)算出的微波輻射亮溫值作為輸入?yún)?shù)，以對(duì)應(yīng)的溫濕廓線和模式分析獲得云水廓線作為輸出，循環(huán)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲得一組能夠反演該區(qū)域大氣廓線的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；采用標(biāo)準(zhǔn)前向反饋網(wǎng)格法獲得觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的大氣廓線反演數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)師盧建平碩士，畢業(yè)于南京理工大學(xué)電子工程專業(yè)，一直從事以軍品為主的工程設(shè)計(jì)，初始階段對(duì)大氣科學(xué)并無多少知識(shí)積累。在項(xiàng)目研制的過程中，他發(fā)現(xiàn)每走一步都要求有更深的氣象知識(shí)做支撐，否則研發(fā)工作就變得寸步難行。不懂就問不會(huì)就學(xué)，在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，學(xué)習(xí)與創(chuàng)新成為他工作的主旋律。

項(xiàng)目研發(fā)期間，他結(jié)識(shí)了蘭州大學(xué)的黃建平教授，北京大學(xué)的毛節(jié)泰教授，總參大氣所的許煥斌教授等。這幾位我國(guó)大氣科學(xué)的專家都成了他經(jīng)常聯(lián)系請(qǐng)教的老師，也為我國(guó)第一部微波輻射計(jì)的誕生付出了一定的心血。

這部具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、95%以上國(guó)產(chǎn)化率的多通道微波輻射計(jì)，不僅凝聚著我們技術(shù)團(tuán)隊(duì)的智慧與汗水，同時(shí)也是這些老科學(xué)家的智慧結(jié)晶。

機(jī)載云粒子分析儀：

一直以來，機(jī)載云粒子分析儀都被美國(guó)的幾大公司技術(shù)壟斷，而對(duì)進(jìn)口云粒子分析儀的高昂價(jià)格也一直是氣象部門難以述說的負(fù)擔(dān)。因此，機(jī)載云粒子分析儀的國(guó)產(chǎn)化是當(dāng)務(wù)之急。不僅能解決氣象部門高昂的設(shè)備費(fèi)用，更是為中國(guó)氣象探測(cè)技術(shù)登上新臺(tái)階夯實(shí)基礎(chǔ)。

機(jī)載云粒子分析儀的研制在我國(guó)尚屬首次，不論是光學(xué)機(jī)理還是設(shè)備結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覀儊碚f就是“無人區(qū)”，必須一步一步去摸索。而這個(gè)摸索的過程，有一個(gè)至關(guān)重要的人——伍波博士。

彼時(shí)，伍波剛剛進(jìn)入院九所的博士后流動(dòng)站。我和郭學(xué)良主任的內(nèi)心都很擔(dān)憂，一個(gè)研究所那么多有成就、有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員，卻把如此重大的任務(wù)交給一個(gè)剛剛畢業(yè)的博士生，這個(gè)項(xiàng)目，真的能成嗎？

當(dāng)我們真正走進(jìn)研究所卻發(fā)現(xiàn)，正是這樣剛畢業(yè)的博士，更有想法，更能充分發(fā)揮他的創(chuàng)新能力。研究室里資源共享、按需分配、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，短短幾年里，伍波及其同室人員楊澤后、史曉丁等，完成了多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)：

（1）采用激光脈沖前向散射原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)2～50μm云粒子的測(cè)量：

（2）通過光束整形，形成均勻匯聚光束，對(duì)散射光進(jìn)行對(duì)比探測(cè)，通過限制探測(cè)景深，消除邊緣誤差等技術(shù)途徑，使儀器探測(cè)精度滿足要求；

（3）采用基于信號(hào)重構(gòu)的統(tǒng)計(jì)算法，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行了降降噪提取和對(duì)比計(jì)算，識(shí)別出有效信號(hào)；

（4）建立完善的標(biāo)定體系，為做好設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與售后服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

這些關(guān)鍵技術(shù)的一個(gè)一個(gè)攻克，使我國(guó)激光大氣物理探測(cè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。實(shí)現(xiàn)了激光云粒子分析儀研制，此后在伍波的帶領(lǐng)下，激光云粒子成像儀、降水粒子成像儀陸續(xù)開發(fā)出來，完成機(jī)載探測(cè)全套裝備體系的研制。

此外還開發(fā)了霧滴譜儀、雨滴譜儀等新型地面探測(cè)裝備，為我國(guó)氣象探測(cè)技術(shù)書寫了新的歷史。人工影響天氣無人機(jī)系統(tǒng)：

依據(jù)我國(guó)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，在適應(yīng)復(fù)雜氣象環(huán)境方面、地空交互通訊鏈路設(shè)計(jì)方面、實(shí)施探測(cè)作業(yè)的針對(duì)性技術(shù)方面，我們的團(tuán)隊(duì)做了無數(shù)的探索工作，經(jīng)過多次修改，最終確定了技術(shù)方案，并實(shí)現(xiàn)了中兵新型人工影響天氣無人機(jī)系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地空交互、多源信息融合、探測(cè)作業(yè)一體化，既可以做冷云催化也可以做暖云催化，是前所未有的一套智能化作業(yè)裝備體系。

無人機(jī)技術(shù)在我國(guó)蓬勃發(fā)展，許多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家在這方面都做了深入探索，整體基礎(chǔ)良好。但作為人工影響天氣的設(shè)備，無人機(jī)仍需要很多技術(shù)拓展：要飛經(jīng)“過冷水層”可能會(huì)瞬間結(jié)冰：要實(shí)施地空交互，探測(cè)信息需實(shí)時(shí)傳回地面、需要作業(yè)時(shí)要由地面發(fā)出點(diǎn)火信息：要配合空域管理、要考慮高切邊風(fēng)速的安全救護(hù)、要實(shí)現(xiàn)地面無指揮下的智能作業(yè)等等。完成這些功能對(duì)無人機(jī)來說都是需要針對(duì)性技術(shù)。

在這里要著重介紹兩個(gè)人：王晉華、夏志宇。王晉華是兵科院最年輕的研究員，輔助我做總體設(shè)計(jì)，在飛行控制、智能作業(yè)方面，他提出了很多有建設(shè)性的關(guān)鍵想法。夏志宇，兵器218廠無人機(jī)室主任，是業(yè)內(nèi)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的無人機(jī)設(shè)計(jì)師，整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)解決均是他帶隊(duì)完成。他有著與他的瘦弱身體不相符的無限能量與無窮斗志，精通英文，善于學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，幾年來他的項(xiàng)目組從無到有為人工影響天氣開發(fā)了幾種產(chǎn)品。

無人機(jī)系統(tǒng)在作業(yè)過程中，一般需要雷達(dá)的數(shù)據(jù)規(guī)劃作業(yè)路徑，當(dāng)雷達(dá)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差的時(shí)候，本無人機(jī)系統(tǒng)自身的探測(cè)裝備可以補(bǔ)償。如果沒有雷達(dá)做輔助，無人機(jī)亦能自行探測(cè)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了利用現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確地人工影響天氣作業(yè)的目的。

這個(gè)由國(guó)家科技部支撐計(jì)劃支持的項(xiàng)目經(jīng)過新疆巴音布魯克、內(nèi)蒙包頭的實(shí)地考核，共27架次的飛行，屢次完美完成既定的探測(cè)、作業(yè)任務(wù)，我們自信，這是一代新形式的高技術(shù)人工影響天氣的作業(yè)裝備，它必會(huì)有廣泛的市場(chǎng)前景。智能化防雹增雨火箭系統(tǒng)：

智能化防雹增雨火箭系統(tǒng)是我和郭學(xué)良主任花費(fèi)了最多心思的產(chǎn)品。

郭主任對(duì)我們提出要求：做就要做世界最先進(jìn)的產(chǎn)品，瞄準(zhǔn)代表世界最先進(jìn)水平的俄羅斯技術(shù)。于是更多先進(jìn)的技術(shù)與概念進(jìn)入我們的視野，如立體播撒、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程指揮，將GIS系統(tǒng)和雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)疊加來指揮控制火箭作業(yè)等。在完成這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念過程中，我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開始對(duì)智能化作業(yè)有了深刻的理解和認(rèn)識(shí)。endprint