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(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)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(jìn)，惟創(chuàng)新者強，惟創(chuàng)新者勝?！?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(jìn)口、作業(yè)裝備缺少先進(jìn)性。高昂的進(jìn)口價格，低效率、低可靠性、低安全性的裝備嚴(yán)重制約我國氣象產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。“落后就要挨打”這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(jìn)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(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)到了國際先進(jìn)水平，其一體化系統(tǒng)的綜合性達(dá)到國際領(lǐng)先水平?！?/p>

2008年8月8日，奧運圣火跨越了半個地球，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，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(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(jìn)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(dāng)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(dá)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(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(dá)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(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(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(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(dāng)我們的團隊如攻堡壘一樣，完成一個個既定目標(biāo)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?！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(dá)：

雙偏振技術(shù)當(dāng)時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、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(dá)的重任。

在我國的雷達(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(jìn)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(dá)中卻很少被采用，這意味著937S雙偏振天氣雷達(dá)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(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同時也為氣象雷達(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)險要承擔(dān)，難點也必須要攻克。

當(dāng)時我們的技術(shù)團隊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：（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(biāo)對弱目標(biāo)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(yuǎn)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(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(dá)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(dá)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(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。

WM937S型X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)

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(dá)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(jìn)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(fù)擔(dān)。因此，機載云粒子分析儀的國產(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(jìn)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(dān)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(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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(hù)、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(jìn)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(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(dá)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(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、自動控制、遠(yuǎn)程指揮，將GIS系統(tǒng)和雷達(dá)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(jìn)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(rèn)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(dá)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(dá)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(dá)及衛(wèi)星信息直接調(diào)炮發(fā)射。更可以由省（市）指揮平臺統(tǒng)一調(diào)動控制作業(yè)。指揮控制系統(tǒng)通過雷達(dá)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(jìn)技術(shù)，而我們團隊在郭學(xué)良主任的指導(dǎo)下，進(jìn)一步進(jìn)行改良，實現(xiàn)了更先進(jìn)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(dāng)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(dāng)?shù)臅r間、適當(dāng)?shù)目臻g播撒適當(dāng)?shù)拇呋瘎钡南冗M(jìn)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(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等手段實現(xiàn)了遠(yuǎn)程裝訂時間、遠(yuǎn)程調(diào)炮、遠(yuǎn)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(xiàn)。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(dá)、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。可以說，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(biāo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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?wèi)?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(yuǎn)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(jìn)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(zé)無旁貸，更是我們團隊的信念。

自動人影高炮系統(tǒng)