本刊特約通迅員　于子平

明者因時而變 智者隨世而制——淺談“中兵人影”系列裝備研制過程

本刊特約通迅員于子平

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。在激烈的國際競爭中，惟創(chuàng)新者進，惟創(chuàng)新者強，惟創(chuàng)新者勝。——習(xí)近平

長期以來，我國氣象探測的科學(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：探測裝備依賴進口、作業(yè)裝備缺少先進性。高昂的進口價格，低效率、低可靠性、低安全性的裝備嚴重制約我國氣象產(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，同時也是對我們工程科研人員的挑戰(zhàn)。

中國兵器科學(xué)研究院副總工程師、科技委委員 于子平

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

時光荏苒、春秋幾度，兩院科研人員聯(lián)合多家國企歷經(jīng)艱辛，通過無數(shù)次轉(zhuǎn)戰(zhàn)南北的驗證試驗，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。其中多項探測裝備完全是自主知識產(chǎn)權(quán)并可以替代進口，有些人工影響天氣作業(yè)技術(shù)水平遠遠超過了世界同類產(chǎn)品，用鑒定專家的話說“系統(tǒng)達到了國際先進水平，其一體化系統(tǒng)的綜合性達到國際領(lǐng)先水平。”

2008年8月8日，奧運圣火跨越了半個地球，從遙遠的赫拉神廟來到北京。當神圣的火焰在鳥巢燃起時，舉國歡騰，中國人的百年奧運夢想終于實現(xiàn)。

在盛會背后，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。開幕式前，風(fēng)雨由西而來，一路向東，覆蓋了門頭溝、海淀。而幾公里外的鳥巢依然燈光燦爛，順利完成了開幕式的表演。

奧運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)用了許多進口設(shè)備，其中維修保障不便，高端技術(shù)對中國的禁運等等多重困難讓保障人員舉步維艱。當時中國氣象科學(xué)研究院人工影響天氣中心主任-郭學(xué)良研究員，是這次奧運保障的主要技術(shù)人員之一，他深深感受到我國氣象保障裝備和人工影響天氣裝備在技術(shù)水平上與國際的差距，這正是我們碰撞并達成聯(lián)合研發(fā)合作意向的前因。

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

郭學(xué)良主任恰恰看好這一點，在我們洽談合作伊始就瞄準了這些高端技術(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)指標都瞄準了世界先進裝備，甚至某些綜合技術(shù)達到了超越和領(lǐng)先水平。

當時我的心里很忐忑，對能否實現(xiàn)這些裝備技術(shù)的突破還有些疑慮。但心中的責任和擔當讓我們義無反顧地投入到系統(tǒng)的研發(fā)工作中。為祖國的氣象現(xiàn)代化步伐添磚加瓦，用我們的肩膀扛起祖國氣象裝備技術(shù)突破提高的重任，要讓祖國的氣象裝備技術(shù)走進世界先進行列。

目標有了，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)國內(nèi)沒有的元器件，研究國內(nèi)沒有的技術(shù)。從市場到實驗室，從零部件到整機，一路攻關(guān)、一路拼搏。當我們的團隊如攻堡壘一樣，完成一個個既定目標時，我們能感覺到，自己的心臟與祖國創(chuàng)新的脈搏一起跳動著。“中兵人影”系列裝備的研發(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，當我們的科技人員能站在國家的高度去工作、去實踐創(chuàng)新的時候，動力源泉便不會枯竭。

X波段雙偏振雷達：

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

在我國的雷達教科書上是這樣描述在天氣雷達中使用脈沖壓縮技術(shù)的：在天氣雷達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。但對于為什么在天氣雷達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說明。

在方案設(shè)計階段，大家對是否采用固態(tài)發(fā)射體制在項目組內(nèi)部進行了深入討論，因為采用固態(tài)發(fā)射機則意味著必須采用脈沖壓縮技術(shù)，而脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達中卻很少被采用，這意味著937S雙偏振天氣雷達采用固態(tài)發(fā)射機技術(shù)存在著一定的技術(shù)風(fēng)險。但是從國際先進雷達技術(shù)的發(fā)展中，雙偏振雷達不僅可以解決冰雹云的探測同時也為氣象雷達的發(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的核心技術(shù)。所以，風(fēng)險要承擔，難點也必須要攻克。

當時我們的技術(shù)團隊做了總體分析一致認為：限制脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達中的使用原因不外乎三個：（1）大氣對電磁波的色散導(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目標對弱目標有壓制作用。

經(jīng)過論證分析我們也得出三個結(jié)論性意見：（1）大氣對X波段電磁波有很大衰減，但只影響強度的衰減，其色散效果可忽略不計，對強度的影響表現(xiàn)在遠距離回波較近距離回波衰減大，表現(xiàn)在時間波形上為幅度調(diào)制，這種隨距離的衰減是對回波幅度的預(yù)調(diào)制，對抑制距離旁瓣是有利的。（2）云的多普勒頻率相對于調(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，相對于150m的距離精度而言可以忽略。（3）線性調(diào)頻脈沖壓縮信號的距離旁瓣高，是限制脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達中應(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，必須設(shè)計超低旁瓣脈沖壓縮波形。項目組通過包絡(luò)預(yù)加權(quán)、窗函數(shù)加權(quán)等手段，設(shè)計出了距離旁瓣達到-56dB的非線性調(diào)頻信號，從而保證了脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達中的應(yīng)用。在實際設(shè)計的波形中，時寬T=33.7us，帶寬B=3MHz，時寬帶寬積為101，仍屬于小時寬帶寬積信號。若使用時寬帶寬積大于200的大時寬信號，其距離旁瓣可達-70dB，完全可以滿足脈沖壓縮技術(shù)在天氣雷達中的應(yīng)用需求。

WM937S型X波段雙偏振多普勒天氣雷達

我們的技術(shù)團隊一點點排除困難，一點點通過驗證試驗摸索新技術(shù)的思路，將一部新技術(shù)帶動下的雷達推到了國人面前。

多通道微波輻射計：

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

設(shè)計師盧建平碩士，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，初始階段對大氣科學(xué)并無多少知識積累。在項目研制的過程中，他發(fā)現(xiàn)每走一步都要求有更深的氣象知識做支撐，否則研發(fā)工作就變得寸步難行。不懂就問不會就學(xué)，在長期的工程實踐中，學(xué)習(xí)與創(chuàng)新成為他工作的主旋律。

項目研發(fā)期間，他結(jié)識了蘭州大學(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。這幾位我國大氣科學(xué)的專家都成了他經(jīng)常聯(lián)系請教的老師，也為我國第一部微波輻射計的誕生付出了一定的心血。

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

MWP967KV型多通道地基微波輻射計

機載云粒子分析儀：

一直以來，機載云粒子分析儀都被美國的幾大公司技術(shù)壟斷，而對進口云粒子分析儀的高昂價格也一直是氣象部門難以述說的負擔。因此，機載云粒子分析儀的國產(chǎn)化是當務(wù)之急。不僅能解決氣象部門高昂的設(shè)備費用，更是為中國氣象探測技術(shù)登上新臺階夯實基礎(chǔ)。

機載云粒子分析儀的研制在我國尚屬首次，不論是光學(xué)機理還是設(shè)備結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，這個技術(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。而這個摸索的過程，有一個至關(guān)重要的人——伍波博士。

彼時，伍波剛剛進入院九所的博士后流動站。我和郭學(xué)良主任的內(nèi)心都很擔憂，一個研究所那么多有成就、有經(jīng)驗的工程技術(shù)人員，卻把如此重大的任務(wù)交給一個剛剛畢業(yè)的博士生，這個項目，真的能成嗎？

當我們真正走進研究所卻發(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)勢互補，短短幾年里，伍波及其同室人員楊澤后、史曉丁等，完成了多項技術(shù)攻關(guān)：

（1）采用激光脈沖前向散射原理實現(xiàn)了對2～50μm云粒子的測量；

整個系統(tǒng)軟件架構(gòu)包含B/S及C/S兩種模式，其中C/S以.net框架為基礎(chǔ)，采用C#開發(fā)；B/S部分采用asp.net開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

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

（3）采用基于信號重構(gòu)的統(tǒng)計算法，對脈沖信號進行了降噪提取和對比計算，識別出有效信號；

機載激光云粒子分析儀

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

這些關(guān)鍵技術(shù)的一個一個攻克，使我國激光大氣物理探測進入了一個新的階段。實現(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，完成機載探測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裝備，為我國氣象探測技術(shù)書寫了新的歷史。

機載激光云粒子成像儀

機載激光降水粒子成像儀

激光霧滴譜儀

人工影響天氣無人機系統(tǒng)：

探測作業(yè)一體化無人機系統(tǒng)

依據(jù)我國無人機技術(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)計方面、實施探測作業(yè)的針對性技術(shù)方面，我們的團隊做了無數(shù)的探索工作，經(jīng)過多次修改，最終確定了技術(shù)方案，并實現(xiàn)了中兵新型人工影響天氣無人機系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地空交互、多源信息融合、探測作業(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。

無人機技術(shù)在我國蓬勃發(fā)展，許多科研機構(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，無人機仍需要很多技術(shù)拓展：要飛經(jīng)“過冷水層”可能會瞬間結(jié)冰；要實施地空交互，探測信息需實時傳回地面、需要作業(yè)時要由地面發(fā)出點火信息；要配合空域管理、要考慮高切邊風(fēng)速的安全救護、要實現(xiàn)地面無指揮下的智能作業(yè)等等。完成這些功能對無人機來說都是需要針對性技術(shù)。

在這里要著重介紹兩個人：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，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廠無人機室主任，是業(yè)內(nèi)具有豐富經(jīng)驗的無人機設(shè)計師，整個無人機系統(tǒng)的工程設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)解決均是他帶隊完成。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)國外先進技術(shù)，幾年來他的項目組從無到有為人工影響天氣開發(fā)了幾種產(chǎn)品。

無人機系統(tǒng)在作業(yè)過程中，一般需要雷達的數(shù)據(jù)規(guī)劃作業(yè)路徑，當雷達出現(xiàn)較大的測量誤差的時候，本無人機系統(tǒng)自身的探測裝備可以補償。如果沒有雷達做輔助，無人機亦能自行探測作業(yè)，實現(xiàn)了利用現(xiàn)代化技術(shù)實現(xiàn)精確地人工影響天氣作業(yè)的目的。

這個由國家科技部支撐計劃支持的項目經(jīng)過新疆巴音布魯克、內(nèi)蒙包頭的實地考核，共27架次的飛行，屢次完美完成既定的探測、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，它必會有廣泛的市場前景。

探測作業(yè)一體化無人機系統(tǒng)

全自動火箭發(fā)射架

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)良主任花費了最多心思的產(chǎn)品。

郭主任對我們提出要求：做就要做世界最先進的產(chǎn)品，瞄準代表世界最先進水平的俄羅斯技術(shù)。于是更多先進的技術(shù)與概念進入我們的視野，如立體播撒、自動控制、遠程指揮，將GIS系統(tǒng)和雷達探測數(shù)據(jù)疊加來指揮控制火箭作業(yè)等。在完成這些先進的設(shè)計理念過程中，我們研發(fā)團隊也開始對智能化作業(yè)有了深刻的理解和認識。

目前，我們的防雹增雨火箭系統(tǒng)在指揮控制方面做到可以與雷達或其他探測設(shè)備對接，并將探測信息與GIS系統(tǒng)實現(xiàn)了疊加，直接利用探測信息控制火箭作業(yè)。操作可以分為三級：省市級、市縣級、炮位級。以炮位操作為第一權(quán)限，如果主要以雷達信息作為防雹依據(jù)，炮位級可以讓權(quán)給市縣級，市縣級可以通過雷達及衛(wèi)星信息直接調(diào)炮發(fā)射。更可以由?。ㄊ校┲笓]平臺統(tǒng)一調(diào)動控制作業(yè)。指揮控制系統(tǒng)通過雷達及衛(wèi)星等探測裝備的信息，直接計算給出各炮位的發(fā)射角度、用彈量等信息，經(jīng)過對作業(yè)效果的評估決定后續(xù)作業(yè)用彈量。這種技術(shù)脫胎于俄羅斯的先進技術(shù)，而我們團隊在郭學(xué)良主任的指導(dǎo)下，進一步進行改良，實現(xiàn)了更先進的功能：根據(jù)云層高度，自動裝訂播撒時間，實現(xiàn)在空間的有序立體播撒。

多年來，防雹增雨火箭一直是單線、固定時間播撒，現(xiàn)在我們將其變?yōu)楦鶕?jù)冰雹云的具體情況機動立體播撒，在最應(yīng)該作業(yè)的空域形成直徑二百米以上的立體播撒帶。與之前的播撒模式相比較，一發(fā)彈的作業(yè)效果相當于過去幾發(fā)彈的效果。在人工影響天氣作業(yè)方面真正實現(xiàn)了老一代專家所期待的：“在適當?shù)臅r間、適當?shù)目臻g播撒適當?shù)拇呋瘎钡南冗M作業(yè)理念。

7公里防雹增雨火箭彈

8公里防雹增雨火箭彈

這個重大突破讓我國的防雹增雨火箭技術(shù)走上世界領(lǐng)先的地位。2015年8月我與郭學(xué)良主任在俄羅斯會見阿巴沙耶夫（俄羅斯防雹增雨火箭鼻祖），74歲的老人家也向我們豎起大拇指。阿巴沙耶夫告訴我們，他的兒子目前正在攻克這個技術(shù)。

在這個系統(tǒng)研制的過程中，王晉華同志率領(lǐng)的項目組做出了卓越的貢獻，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等手段實現(xiàn)了遠程裝訂時間、遠程調(diào)炮、遠程操作作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)，另外在火箭彈設(shè)計方面張全秀、劉永德等工程技術(shù)人員做了大量的創(chuàng)新實踐。他們的汗水與付出，是這個項目圓滿成功的最有力保障。

新型防雹增雨炮彈

人工影響天氣自動高炮：

自動高炮是我們團隊為國家人工影響天氣事業(yè)做出的又一貢獻。在此產(chǎn)品之前，我國人影使用的都是由部隊退役下來的手動37mm高炮，在彈上略加改造便用于人工影響天氣作業(yè)。手動高炮笨重、操作繁瑣、科學(xué)的作業(yè)信息無法直接下達、作業(yè)人員安全風(fēng)險較高，如何避免這些風(fēng)險，讓高炮成為科學(xué)化、信息化、安全的人影作業(yè)裝備，這是對我們的又一項挑戰(zhàn)。

高炮改造團隊在熊焰、劉存忠的帶領(lǐng)下，充分利用了原炮的成熟機械機構(gòu)，融入現(xiàn)代信息化技術(shù)，用最小的經(jīng)濟代價完成最實用的現(xiàn)代化改造。使部隊中淘汰下來的57mm、37mm高炮換發(fā)了新的青春，以嶄新的姿態(tài)造福于百姓。

行文至此，還要特別感謝一個人——現(xiàn)任中國兵器科學(xué)研究院院長王玉林。2009年，集團采納了我們開發(fā)一整套人工影響天氣裝備的建議。時任副院長的王玉林為被任命行政總指揮，我為系統(tǒng)總設(shè)計師。項目至今，經(jīng)歷了無數(shù)的風(fēng)風(fēng)雨雨，既有技術(shù)上的高地，又有體制上的壓力。這期間幾經(jīng)人事變革，但無論王院長是否主管這個項目，人在何處，他始終給予我們團隊極大的支持。無論是從行動上，還是精神上，王玉林院長都是我們團隊最強大的后盾?？梢哉f，沒有王玉林，“中兵人影”系列裝備也不會如此順利地來到我們面前。

有人曾說過，我們團隊開發(fā)的“中兵人影”商標的系列裝備是我國氣象探測和人工影響天氣領(lǐng)域的里程碑，這話有些夸張，但這些創(chuàng)新技術(shù)的確填補了我國該領(lǐng)域的多項技術(shù)空白。目前這些裝備已經(jīng)被更多省市所應(yīng)用，并逐漸形成出口的趨勢，所創(chuàng)造的社會價值和經(jīng)濟價值遠遠超過了我們的想象。感謝時代寄予我們的創(chuàng)新研發(fā)的空間，同時也感謝我的團隊應(yīng)時代召喚付出自己辛勤的汗水。

習(xí)近平同志指出：世界經(jīng)濟長遠發(fā)展的動力源自創(chuàng)新?？偨Y(jié)歷史經(jīng)驗，我們會發(fā)現(xiàn)，體制機制變革釋放出的活力和創(chuàng)造力，科技進步造就的新產(chǎn)業(yè)和新產(chǎn)品，是歷次重大危機后世界經(jīng)濟走出困境、實現(xiàn)復(fù)蘇的根本。我們感謝時代所賦予的創(chuàng)新空間，也深知作為炎黃子孫，恰逢為民族復(fù)興而奮發(fā)的百年機遇是我們這一代人的榮幸。為民族的振興而努力拼搏，我們責無旁貸，更是我們團隊的信念。

自動人影高炮系統(tǒng)