——浅谈“中兵人影”系列装备研制过程

本刊特约通迅员 于子平

 

创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，也是中华民族最深沉的民族禀赋。在激烈的国际竞争中，惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜。 ——习近平

长期以来，我国气象探测的科学研究人员与人工影响天气的工作者们，一直被两大问题所困扰：探测装备依赖进口、作业装备缺少先进性。高昂的进口价格，低效率、低可靠性、低安全性的装备严重制约我国气象产业的发展。“落后就要挨打”这句话仿佛巨石一样压在气象工作者的心头，同时也是对我们工程科研人员的挑战。

为开发一系列用于气象与人工影响天气的先进技术装备，2009年2月，中国气象科学研究院与中国兵器科学研究院签署了战略合作协议。

时光荏苒、春秋几度，两院科研人员联合多家国企历经艰辛，通过无数次转战南北的验证试验，多省市人工影响天气办公室组织的试用，并经过多名院士组成的专家组鉴定，终于在2015年推出了一整套用于气象探测和人工影响天气作业的系列装备，该系列共有十五种产品，均冠以“中兵人影”品牌。其中多项探测装备完全是自主知识产权并可以替代进口，有些人工影响天气作业技术水平远远超过了世界同类产品，用鉴定专家的话说“系统达到了国际先进水平，其一体化系统的综合性达到国际领先水平。”

2008年8月8日，奥运圣火跨越了半个地球，从遥远的赫拉神庙来到北京。当神圣的火焰在鸟巢燃起时，举国欢腾，中国人的百年奥运梦想终于实现。

在盛会背后，有无数的气象科学工作者特别是人工影响天气工作者做出了卓越的贡献。开幕式前，风雨由西而来，一路向东，覆盖了门头沟、海淀。而几公里外的鸟巢依然灯光灿烂，顺利完成了开幕式的表演。

奥运气象保障的工作圆满完成，背后的故事却让很多科学工作者陷入了沉思。这次保障中我们应用了许多进口设备，其中维修保障不便，高端技术对中国的禁运等等多重困难让保障人员举步维艰。当时中国气象科学研究院人工影响天气中心主任-郭学良研究员，是这次奥运保障的主要技术人员之一，他深深感受到我国气象保障装备和人工影响天气装备在技术水平上与国际的差距，这正是我们碰撞并达成联合研发合作意向的前因。

中国兵器科学研究院成立于1963年，作为我国兵器装备科研引领单位，几十年来为共和国贡献了多种先进的技术装备。特别是改革开放以来，在先进的制造业带动下，兵科院的自动装备、智能装备、信息化装备等为共和国的国防事业铸就了新的钢铁长城。近几年来兵科院的雷达技术、微波技术、激光技术屡屡走在共和国的技术引导地位。

郭学良主任恰恰看好这一点，在我们洽谈合作伊始就瞄准了这些高端技术。于是我们二人根据需求与能力策划了“中兵新型人工影响天气系统”，这些装备的技术指标都瞄准了世界先进装备，甚至某些综合技术达到了超越和领先水平。

当时我的心里很忐忑，对能否实现这些装备技术的突破还有些疑虑。但心中的责任和担当让我们义无反顾地投入到系统的研发工作中。为祖国的气象现代化步伐添砖加瓦，用我们的肩膀扛起祖国气象装备技术突破提高的重任，要让祖国的气象装备技术走进世界先进行列。

目标有了，接下来的就是一路的摸爬滚打、过关斩将。走前辈没有走过的路，开发国内没有的元器件，研究国内没有的技术。从市场到实验室，从零部件到整机，一路攻关、一路拼搏。当我们的团队如攻堡垒一样，完成一个个既定目标时，我们能感觉到,自己的心脏与祖国创新的脉搏一起跳动着。“中兵人影”系列装备的研发历程，每一步都是在这种特殊需求中创新发展起来的，当我们的科技人员能站在国家的高度去工作、去实践创新的时候，动力源泉便不会枯竭。

 

X波段双偏振雷达：

 

双偏振技术当时是世界刚刚起步的一种新型雷达技术，其中的固态发射装置及应用技术、双偏振雷达天线的设计、加工技术等，在我国还从未使用过，留学英国的李春化博士，挑起了研发该雷达的重任。

在我国的雷达教科书上是这样描述在天气雷达中使用脉冲压缩技术的：在天气雷达中很少采用脉冲压缩体制。类似的叙述也出现在《多普勒天气观察》一书中。但对于为什么在天气雷达中不采用或很少采用脉冲压缩技术，这些经典著作中并没有详细说明。

在方案设计阶段，大家对是否采用固态发射体制在项目组内部进行了深入讨论，因为采用固态发射机则意味着必须采用脉冲压缩技术，而脉冲压缩技术在天气雷达中却很少被采用，这意味着937S双偏振天气雷达采用固态发射机技术存在着一定的技术风险。但是从国际先进雷达技术的发展中，双偏振雷达不仅可以解决冰雹云的探测同时也为气象雷达的发展开拓了新的技术思路。而固态发射技术正是这种双偏振雷达的核心技术。所以，风险要承担，难点也必须要攻克。

当时我们的技术团队做了总体分析一致认为：限制脉冲压缩技术在天气雷达中的使用原因不外乎三个：（1）大气对电磁波的色散导致脉冲压缩滤波器失配；（2）多普勒失配及距离耦合导致测距精度下降；（3）距离旁瓣引起的距离加权造成的功率泄露使得强目标对弱目标有压制作用。

经过论证分析我们也得出三个结论性意见：（1）大气对X波段电磁波有很大衰减，但只影响强度的衰减，其色散效果可忽略不计，对强度的影响表现在远距离回波较近距离回波衰减大，表现在时间波形上为幅度调制，这种随距离的衰减是对回波幅度的预调制，对抑制距离旁瓣是有利的。（2）云的多普勒频率相对于调频带宽小很多，由最大多普勒频率引起的距离耦合只有2.5m，相对于150m的距离精度而言可以忽略。（3）线性调频脉冲压缩信号的距离旁瓣高，是限制脉冲压缩技术在天气雷达中应用的主要因素。

因此，为了将脉冲压缩技术应用于天气雷达，必须设计超低旁瓣脉冲压缩波形。项目组通过包络预加权、窗函数加权等手段，设计出了距离旁瓣达到-56dB的非线性调频信号，从而保证了脉冲压缩技术在天气雷达中的应用。在实际设计的波形中，时宽T=33.7us，带宽B=3MHz，时宽带宽积为101，仍属于小时宽带宽积信号。若使用时宽带宽积大于200的大时宽信号，其距离旁瓣可达-70dB，完全可以满足脉冲压缩技术在天气雷达中的应用需求。

我们的技术团队一点点排除困难，一点点通过验证试验摸索新技术的思路，将一部新技术带动下的雷达推到了国人面前。

 

多通道微波辐射计：

 

微波辐射计的整个方案和技术路线的制定过程中，充分考虑了国内的机械加工、材料、微波毫米波器件、电子集成和工艺能力、测试设备等基础工业发展现状，以及我国气象研究和人工影响天气事业的实际需求。

系统整机及其绝大部分的组成都立足于国内技术和工业基础，实现了很高的国产化率。辐射计采用360°精密步进转台，K、V双波段偏馈抛物反射面和低副瓣的波纹喇叭天线组件，平方率检波方式和精密恒温的数字视频接收机。大气廓线反演算法采用BP神经网络类型，三层节点通过权重函数连接。基于大量无线电探空资料，构造BP神经网络训练样本集，以MWMOD模式计算出的微波辐射亮温值作为输入参数，以对应的温湿廓线和模式分析获得云水廓线作为输出，循环进行神经网络训练，获得一组能够反演该区域大气廓线的神经网络参数；采用标准前向反馈网格法获得观测现场的大气廓线反演数据。

设计师卢建平硕士，毕业于南京理工大学电子工程专业，一直从事以军品为主的工程设计，初始阶段对大气科学并无多少知识积累。在项目研制的过程中，他发现每走一步都要求有更深的气象知识做支撑，否则研发工作就变得寸步难行。不懂就问不会就学，在长期的工程实践中，学习与创新成为他工作的主旋律。

项目研发期间，他结识了兰州大学的黄建平教授，北京大学的毛节泰教授，总参大气所的许焕斌教授等。这几位我国大气科学的专家都成了他经常联系请教的老师，也为我国第一部微波辐射计的诞生付出了一定的心血。

这部具有完全自主知识产权、95%以上国产化率的多通道微波辐射计，不仅凝聚着我们技术团队的智慧与汗水，同时也是这些老科学家的智慧结晶。

 

机载云粒子分析仪：

 

一直以来，机载云粒子分析仪都被美国的几大公司技术垄断，而对进口云粒子分析仪的高昂价格也一直是气象部门难以述说的负担。因此，机载云粒子分析仪的国产化是当务之急。不仅能解决气象部门高昂的设备费用，更是为中国气象探测技术登上新台阶夯实基础。

机载云粒子分析仪的研制在我国尚属首次，不论是光学机理还是设备结构与应用，这个技术领域对我们来说就是“无人区”，必须一步一步去摸索。而这个摸索的过程，有一个至关重要的人——伍波博士。

彼时，伍波刚刚进入院九所的博士后流动站。我和郭学良主任的内心都很担忧，一个研究所那么多有成就、有经验的工程技术人员，却把如此重大的任务交给一个刚刚毕业的博士生，这个项目，真的能成吗？

当我们真正走进研究所却发现，正是这样刚毕业的博士，更有想法，更能充分发挥他的创新能力。研究室里资源共享、按需分配、优势互补，短短几年里，伍波及其同室人员杨泽后、史晓丁等，完成了多项技术攻关：

（1）采用激光脉冲前向散射原理实现了对2?50μm云粒子的测量；

（2）通过光束整形，形成均匀汇聚光束，对散射光进行对比探测，通过限制探测景深，消除边缘误差等技术途径，使仪器探测精度满足要求；

（3）采用基于信号重构的统计算法，对脉冲信号进行了降噪提取和对比计算，识别出有效信号；

（4）建立完善的标定体系，为做好设备状态监测与售后服务奠定了基础。

这些关键技术的一个一个攻克，使我国激光大气物理探测进入了一个新的阶段。实现了激光云粒子分析仪研制，此后在伍波的带领下，激光云粒子成像仪、降水粒子成像仪陆续开发出来，完成机载探测全套装备体系的研制。

此外还开发了雾滴谱仪、雨滴谱仪等新型地面探测装备，为我国气象探测技术书写了新的历史。

 

人工影响天气无人机系统：

 

依据我国无人机技术发展基础，在适应复杂气象环境方面、地空交互通讯链路设计方面、实施探测作业的针对性技术方面，我们的团队做了无数的探索工作，经过多次修改，最终确定了技术方案，并实现了中兵新型人工影响天气无人机系统的研制。该系统实现了地空交互、多源信息融合、探测作业一体化，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业装备体系。

无人机技术在我国蓬勃发展，许多科研机构和生产厂家在这方面都做了深入探索，整体基础良好。但作为人工影响天气的设备，无人机仍需要很多技术拓展：要飞经“过冷水层”可能会瞬间结冰；要实施地空交互，探测信息需实时传回地面、需要作业时要由地面发出点火信息；要配合空域管理、要考虑高切边风速的安全救护、要实现地面无指挥下的智能作业等等。完成这些功能对无人机来说都是需要针对性技术。

在这里要着重介绍两个人：王晋华、夏志宇。王晋华是兵科院最年轻的研究员，辅助我做总体设计，在飞行控制、智能作业方面，他提出了很多有建设性的关键想法。夏志宇，兵器218厂无人机室主任，是业内具有丰富经验的无人机设计师，整个无人机系统的工程设计与关键技术解决均是他带队完成。他有着与他的瘦弱身体不相符的无限能量与无穷斗志，精通英文，善于学习国外先进技术，几年来他的项目组从无到有为人工影响天气开发了几种产品。

无人机系统在作业过程中，一般需要雷达的数据规划作业路径，当雷达出现较大的测量误差的时候，本无人机系统自身的探测装备可以补偿。如果没有雷达做辅助，无人机亦能自行探测作业，实现了利用现代化技术实现精确地人工影响天气作业的目的。

这个由国家科技部支撑计划支持的项目经过新疆巴音布鲁克、内蒙包头的实地考核，共27架次的飞行，屡次完美完成既定的探测、作业任务，我们自信，这是一代新形式的高技术人工影响天气的作业装备，它必会有广泛的市场前景。

 

智能化防雹增雨火箭系统：

 

智能化防雹增雨火箭系统是我和郭学良主任花费了最多心思的产品。

郭主任对我们提出要求：做就要做世界最先进的产品，瞄准代表世界最先进水平的俄罗斯技术。于是更多先进的技术与概念进入我们的视野，如立体播撒、自动控制、远程指挥，将GIS系统和雷达探测数据叠加来指挥控制火箭作业等。在完成这些先进的设计理念过程中，我们研发团队也开始对智能化作业有了深刻的理解和认识。

目前，我们的防雹增雨火箭系统在指挥控制方面做到可以与雷达或其他探测设备对接，并将探测信息与GIS系统实现了叠加，直接利用探测信息控制火箭作业。操作可以分为三级：省市级、市县级、炮位级。以炮位操作为第一权限，如果主要以雷达信息作为防雹依据，炮位级可以让权给市县级，市县级可以通过雷达及卫星信息直接调炮发射。更可以由省（市）指挥平台统一调动控制作业。指挥控制系统通过雷达及卫星等探测装备的信息，直接计算给出各炮位的发射角度、用弹量等信息，经过对作业效果的评估决定后续作业用弹量。这种技术脱胎于俄罗斯的先进技术，而我们团队在郭学良主任的指导下，进一步进行改良，实现了更先进的功能：根据云层高度，自动装订播撒时间，实现在空间的有序立体播撒。

多年来，防雹增雨火箭一直是单线、固定时间播撒，现在我们将其变为根据冰雹云的具体情况机动立体播撒，在最应该作业的空域形成直径二百米以上的立体播撒带。与之前的播撒模式相比较，一发弹的作业效果相当于过去几发弹的效果。在人工影响天气作业方面真正实现了老一代专家所期待的：“在适当的时间、适当的空间播撒适当的催化剂”的先进作业理念。

这个重大突破让我国的防雹增雨火箭技术走上世界领先的地位。2015年8月我与郭学良主任在俄罗斯会见阿巴沙耶夫（俄罗斯防雹增雨火箭鼻祖），74岁的老人家也向我们竖起大拇指。阿巴沙耶夫告诉我们，他的儿子目前正在攻克这个技术。

在这个系统研制的过程中，王晋华同志率领的项目组做出了卓越的贡献，通过网络重构等手段实现了远程装订时间、远程调炮、远程操作作业等关键技术，另外在火箭弹设计方面张全秀、刘永德等工程技术人员做了大量的创新实践。他们的汗水与付出，是这个项目圆满成功的最有力保障。

 

人工影响天气自动高炮：

 

自动高炮是我们团队为国家人工影响天气事业做出的又一贡献。在此产品之前，我国人影使用的都是由部队退役下来的手动37mm高炮，在弹上略加改造便用于人工影响天气作业。手动高炮笨重、操作繁琐、科学的作业信息无法直接下达、作业人员安全风险较高，如何避免这些风险，让高炮成为科学化、信息化、安全的人影作业装备，这是对我们的又一项挑战。

高炮改造团队在熊焰、刘存忠的带领下，充分利用了原炮的成熟机械机构，融入现代信息化技术，用最小的经济代价完成最实用的现代化改造。使部队中淘汰下来的57mm、37mm高炮换发了新的青春，以崭新的姿态造福于百姓。

行文至此，还要特别感谢一个人——现任中国兵器科学研究院院长王玉林。2009年，集团采纳了我们开发一整套人工影响天气装备的建议。时任副院长的王玉林为被任命行政总指挥，我为系统总设计师。项目至今，经历了无数的风风雨雨，既有技术上的高地，又有体制上的压力。这期间几经人事变革，但无论王院长是否主管这个项目，人在何处，他始终给予我们团队极大的支持。无论是从行动上，还是精神上，王玉林院长都是我们团队最强大的后盾。可以说，没有王玉林，“中兵人影”系列装备也不会如此顺利地来到我们面前。

有人曾说过，我们团队开发的“中兵人影”商标的系列装备是我国气象探测和人工影响天气领域的里程碑，这话有些夸张，但这些创新技术的确填补了我国该领域的多项技术空白。目前这些装备已经被更多省市所应用，并逐渐形成出口的趋势，所创造的社会价值和经济价值远远超过了我们的想象。感谢时代寄予我们的创新研发的空间，同时也感谢我的团队应时代召唤付出自己辛勤的汗水。

习近平同志指出：世界经济长远发展的动力源自创新。总结历史经验，我们会发现，体制机制变革释放出的活力和创造力，科技进步造就的新产业和新产品，是历次重大危机后世界经济走出困境、实现复苏的根本。我们感谢时代所赋予的创新空间，也深知作为炎黄子孙，恰逢为民族复兴而奋发的百年机遇是我们这一代人的荣幸。为民族的振兴而努力拼搏，我们责无旁贷，更是我们团队的信念。

人生如朝露，惟奉献永恒！