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北京理工大学有位“自行车院士”,白手起家建起顶配研究室

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(原标题:“自行车院士”的雷达人生)

北京理工大学的校园里,一位瘦削的老人操作着电动轮椅,每天往返于家和研究所之间。已经87岁高龄的他,虽然腿部做过手术,但依然坚持按时上班。

更早之前,他每天骑车上班成了校园一道独特的风景线,被师生们亲切地称为“自行车院士”。

他是毛二可,从他朴素的衣着、谦和的态度中,你可能很难想象到他的一生创造过怎样的“宝藏”。

22岁,设计出“新中国第一个电视频道”;30岁,参与设计中国第一台相控阵雷达;61岁,当选中国工程院院士;75岁,“下海”创立学科性公司,让国家重大需求科技领域的前沿技术得到广泛应用……

在他走了几十年的上班路上,写满了理想、激情和科研精神。

白手起家建起顶配研究室

毛二可出生在北京,儿时随着父亲工作的变动,一家人辗转于广州、重庆、北京多地。在重庆,毛二可度过了大半少年时光。在重庆私立南开中学,从小受父兄影响而深深被无线电知识吸引的毛二可,加入了中国无线电学会南开分会。抗战时期,许多工厂搬到“陪都”重庆,这也为爱好无线电的少年们提供了更多“创作”的机会。他们各处搜寻零配件,从电子废件中捣腾自己能用得上的东西,“土电话”“收音机”“校园广播”……一个个拼装出来的无线电作品给了少年毛二可极大的乐趣和满足。


毛二可

1951年,即将从南开中学毕业的毛二可听说了华北大学工学院(北京理工大学前身)将招生的消息。了解到这所学校设有电机制造专业,一门心思想学习“跟电有关”知识的他很想抓住这个机会。在学校的组织下,他与四位有志于此的同学北上参加了报名和考试。

顺利通过考试的毛二可进入电机制造专业,开始学习发电机、电动机设计。1953年,根据当时的国内外形势,国家重工业部决定在学校设立雷达专业,为国家培养急需的科技工业人才。“就这样,我搞上了雷达,这条路一走就是一辈子。”回顾往事,毛二可感慨地说。

当时,国内的雷达研究尚处在萌芽状态。

1954年,系里请来了苏联专家加强专业建设。两年后,正是在苏联专家的指导下,毛二可与几位同学完成了自己的毕业设计——中国第一个电视试验发射中心的研究设计。

这个作品曾于1957年在北京市劳动人民文化宫展出,虽然只是一个原理性、实验性的作品,却让观众真实地从屏幕上看到了从北京工业学院(北京理工大学前身)主楼上发出的视频信号。这个被称为“新中国第一个电视频道”的研究成果,在当时引起了不小的轰动。

毕业后,毛二可留校任教。1957年,在主管部门的建议下,学校开始筹建雷达研究室。1958年,当时的校长魏思文向上级提出申请,希望能批给学校一些新型雷达,用于建设试验场地。“当时学校里实验使用的都是小型雷达,没有大型号的。上级非常支持,一口气批下了三台大雷达。这太令人惊喜了,我们的雷达实验室成了当时国内高校里最大的。”毛二可回忆说。这三台从苏联进口的大型雷达是当时中国使用的最主要的雷达设备。

这么复杂的雷达,如何在学校的实验场地架设起来呢?毛二可与上级派来的专家一起承担了组装架设雷达的任务。他们对照操作指南,不断试验和摸索,时常一干就是一整天。为了省掉上下班路上的时间,他干脆不回宿舍就睡在雷达车里。经过不懈努力,毛二可和同事终于完成了雷达实验场的建设,从此学生们不仅可以在课堂上学到关于雷达的理论知识,也拥有了上手操作的实践场所。

“这样的实验条件,在当时国内高校的教学中可以说是最高级的配置了,连清华大学的高年级学生都到我们这儿来实习,做毕业设计。”

时隔60年,说起当年自己参与创办的雷达研究室,毛二可脸上还是会微微流露出自豪的神色。

国家需求就是搞研究的动力

在雷达研究领域,毛二可是个高产的发明家。搞了多少发明,得了多少奖项,他自己也数不清。

不过,有一项发明让他和学生都记忆犹新,那就是1977年问世的新型雷达“动目标显示装置”。什么叫“动目标显示”?毛二可解释,要想利用雷达监测移动的飞行物,需要区分接收到的监测物体雷达回波的多普勒频率。移动目标的多普勒频率较高,而且移动越快频率越高。“接收到回波后,通过滤波器的处理,将物体以移动速度进行区分,排除掉固定物体等干扰物,就能‘看到’目标飞行物了。”

原理说起来不难,但谁能在实际操作中将它实现,各国的科学家都在较着劲儿。

在雷达显示的反馈中,固定目标的回波更强,运动目标的回波反而较弱。“一座岿然不动的大山和一架移动中的飞机,它们反馈的回波强弱差距可达上万倍都不止。”如何在固定物体强杂波的干扰中,提取出更小的运动目标,并检测出它的移动速度,用于提取运动目标的延迟线是关键器件。

为了找到合适的延迟线材料,从上世纪50年代末到70年代,毛二可和同事们反复试验。从当时国外用过的水银延迟线,到磁质伸缩延迟线,再到熔石英延迟线……经过十余载的努力,最终攻克了延迟线这一难题。

1977年,新型雷达“动目标显示装置”参加了国家组织的电子对抗测试,展现出优越的性能,大大加强了我国空中探测能力。在此基础上,团队的项目“模数混合动目标显示系统”获得了1987年国家发明二等奖。这在当年,是该领域的国家级最高奖项。

“国家的需求,就是我们搞研究的动力。”用新技术解决实际问题,让技术成果在国家重大需求领域做贡献,这是毛二可在数十载科研道路上一直身体力行的原则。而研制“矢量脱靶量检测系统”,成功解决脱靶量检测这一重大难题,正是他践行这一原则最有代表性的成果。


毛二可在脱靶量实验现场

什么是脱靶量?毛二可通俗解释:高速飞行物体在碰撞目标的时候,可能撞到目标上,也可能擦着边儿飞过。如果飞过了,需要知道它偏了多少角度,偏离时的速度是多少,以便在后续设计中予以改进。“这个偏离的距离就是脱靶量,加上偏离的角度就是矢量脱靶量。”

时速几千公里的飞行物与固定目标,交汇过程可以用“一闪而过”来形容。怎样在特定的瞬间监测到它们之间的“偏差”,这是一个世界级的难题。西方曾对脱靶量检测做过一个形象的比喻,形容它是“从干草堆上找一根针”,或者说就是在茫茫天空中锁定一根“绣花针”。

20世纪90年代初,国内某实验基地提出研究矢量脱靶量测量系统的需求,要求做出一个空间上几乎全方位的测量雷达,能够测量出高速运动物体与目标交汇的方向和距离。毛二可勇担重任,带领团队全力投入攻坚。

“实验遇到的一大关键性难题在于,解决高速运动物体与目标交汇实验的成本问题。”受客观条件限制,在前期实验场景中使用实物是不可能实现的。

怎么解决实验条件受限的问题呢?头脑灵活的毛二可在当时创造性地想出了不少“土办法”。比如,用“打弹弓”的方式进行模拟实验。他们制作出一米多宽的大型弹弓,发射大钢珠作为运动目标,进行雷达跟踪实验。弹珠的大小类似老年人的手部健身球,速度可达每秒数十米,既能保证实验效果,又降低了实验成本,让项目顺利进行。

后期为了模拟实验数据更真实可信,团队使用移动速度每秒数百米的实验火箭作为移动目标进行监测。

“那时候老师已经年过六十,还坚持亲力亲为,跟我们一起到郊外做实验,一干就是一天。”毛二可的一名学生回忆,每当实验进入瓶颈,研究进展困难时,毛老师总是鼓励大家:我们的原理没问题,坚持下去肯定能成功。“那种对待科研的从容和笃定,给我们每个人都吃了‘定心丸’。”

经过8年的不懈努力,课题组突破了层层乌云,终于完成了雷达定型。如今,这个项目已被发展为国家重点领域的系列设备,新型雷达能使导弹更精确地命中目标,为国家重点领域科技事业发展注入新的力量。

学人“下海”反哺科研

随着研究项目的增多,雷达所的规模越来越大。物资采购、机电设备加工、质量管理等一系列职能需要投入更多的人力和物力。“大量的科研任务让团队人手日渐紧张,大家像‘救火队员’一样,一个项目还没验收,另一个项目又立项了。”怎么解决雷达所的运行问题?毛二可想到了创立公司——用挣来的钱去招聘急需的人才,反哺科研项目的运转。


毛二可与雷达所师生在一起

“我们的初衷不是挣钱,是为了解决迫在眉睫的人才问题。”毛二可说,让做学问的人开公司,这个想法在研究所内部引起了巨大的震动。有人支持,有人反对,还有人打“中立牌”。大家各执一词,莫衷一是,事情一讨论就是好几年。

“这个事不下决心,就办不起来,人才问题就解决不了。”平素谦和的毛二可在开公司这件事上展现出了过人的魄力,他力排众议,“拍板儿”决定牵头成立一家产学研一体化的企业——理工雷科。研究所负责基础研究、原理性试验,公司实现工程化,做出正式产品。

如今,产学研一体化的企业体制已在全国众多高校普及推广,并日益成熟。但在当时,“下海”办公司的人在全国高校里尚属“敢吃螃蟹”的勇者。而毛二可带队创办的这家企业,不仅成功解决了科研人才短缺、配置不合理的问题,还成为中关村乃至全国知名的高校科技成果转化典型案例。

走进位于北京理工大学国防科技园雷科公司的展厅,一个个不同领域的科技项目展现着前沿科学技术转化、落地的傲人成果。机场鸟情探测预警雷达、机场跑道异物检测系统、边坡变形监测雷达……众多基于毛二可团队国家重点领域科技研究成果转化而成的产品找到了更多的应用领域,成了与人们生活息息相关的重要应用。

刘峰是理工雷科的董事长,也是毛二可的学生,曾获国家发明二等奖。他从2009年12月公司成立,就扛起公司的领导重任,至今已11年了。

“眼前这个机场鸟情探测预警雷达,不仅应用了毛老师团队的科研技术,它的各个部分也都由毛老师参与设计。”刘峰介绍,在没有这项技术之前,机场普遍采取人工或物理的手段驱赶飞鸟,“不仅浪费人力,而且不够周全,毕竟以人的视力最多只能看到二三百米远处。”而这款以雷达探测的鸟情预警系统,不仅能识别飞鸟的距离、方位、高度、速度等信息,还能对飞鸟的大小、种类、到达时间、威胁程度进行警报,从而降低飞机被鸟击的风险。“鸽子大小的鸟类,在十公里内都能‘看’得清清楚楚。”

在这款探测雷达系统的设计过程中,毛二可对团队的指导起到了重要作用。“2019年,我陪同毛老师出差。坐飞机的两个多小时里,我将这款鸟情探测雷达的设计思路向毛老师详细汇报了一遍。当时,毛老师听得非常认真。”刘峰回忆,出差回京后,毛二可专门把他叫到了办公室。“他说,听了我的方案,他认真地思考了两天时间,将许多地方进行了调整和优化。然后,拿出了全套的优化方案。”


毛二可与雷达所年轻师生在实验室

刘峰说,如今这款雷达系统,从外形到内容,都深刻体现着毛二可的设计理念。比如,根据毛二可的建议,系统采用他近年来深入研究的合成宽带多普勒原理,来识别微动的特性。“这种微动的特性体现在鸟类的身上就是它们振翅的频率。”刘峰进一步解释,对于高速运行的飞行器来说,鸟类的运动是微小的,一般的雷达很难识别。而采用合成宽带多普勒原理,则可以通过振翅的频率和特点来识别飞鸟的类型。该系统即将在全国各大机场推广应用。

另一项边坡变形监测雷达则可以实时监测山体、矿山堆料的位移情况,及时发现坍塌、滑坡风险的苗头,提高安全保障。“在这个项目试验的过程中,年过八旬的毛老师曾多次亲自到地处偏远、条件艰苦的内蒙古锡林浩特露天矿区、重庆三峡坝区等地考察指导。”刘峰介绍,如今,该系统已广泛应用于我国多个矿山、水库、桥梁隧道、铁路和城市建筑,曾多地多次成功预警滑坡现象,还应用于九寨沟景区生态修复长期监测项目中。

2019年8月,85岁的毛二可在骑自行车上班途中不慎摔伤,并进行了股骨关节置换手术。但这位高龄院士并没有因此停下科研的脚步。理工大学的师生依然能够看到这位瘦削的老人,每天驾驶电动轮椅准时来到研究所上班。

“毛老师对科研的这股子坚持劲儿,鼓舞了我们几代‘雷达人’。”刘峰说。

而毛二可却说,认认真真做好科研工作,这是每一名科技工作者的职责所在。

链接 雷达的分类

雷达的种类繁多,分类的方法也非常复杂。按照雷达信号形式分类,有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等;按照角跟踪方式分类,有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等;按照目标测量的参数分类,有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等;按照雷达采用的技术和信号处理的方式分类,有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达等;按照天线扫描方式分类,分为机械扫描雷达、相控阵雷达等;按雷达频段分类,可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

毛二可创新团队目前主要研究方向和领域包括:雷达系统与信号处理、新体制雷达、图像处理、实时信号处理、航天遥感、卫星导航等。该团队曾获国家科技成果奖6项,省部级奖20余项,国家发明专利170余项,发表SCI和EI收录论文800余篇。

本版图片均为资料图 北京理工大学提供


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