让卫星带“脑子”上天,中国独一家,他做到了

作者:张盖伦来源:科技日报发布时间:2020-06-09

工作的源动力,不应该来自于外界,而应来自于自己的内心。

云南,江城。一台空中昆虫生物迁飞探测雷达正在监测从缅甸方向飞来的草地贪夜蛾。

这是北京理工大学雷达技术研究所研制的Ku波段高分辨全极化昆虫探测雷达的第一代样机。它能在数公里之外,测出单只昆虫的体长、体重、飞行角度和振翅幅度。

“全世界的雷达都做不了这个。”6月4日,龙腾接受科技日报记者采访时,提起这台雷达,自信且兴奋。

龙腾是北京理工大学副校长、雷达技术研究所所长,也是我国雷达信息处理领域学术带头人之一。他语速快,但思路清晰,很少需要停顿下来斟酌措辞。讲起雷达,更是没有一点磕绊——这是他研究了三十年的东西。

让卫星带“脑子”上天,中国独一家,他做到了

前不久,龙腾获得“全国创新争先奖章”。创新,是流淌在龙腾乃至北理工雷达技术研究团队血液里的东西。“我们一直鼓励自由探索。”龙腾强调。

千米认虫,为农业害虫防控提供支撑

1989年,龙腾进入北京理工大学时,我国雷达技术发展水平还相对落后。“当时我们看到国外提出来的新想法、新机制,觉得叹为观止,好像永远不可能追得上。”龙腾说,“但现在,国外想到的事情,我们基本都能想到;而我们想到的很多东西,国外没有想到。”

一个典型例子,就是团队正在研制的探虫雷达。

该雷达能够在几公里之外分辨单只昆虫的类别,可为我国农业害虫防控提供基础支撑。

一个有着悠久历史的雷达研究所,怎么想到俯下身子去跟昆虫“较劲”?这要从六年前说起。

那天龙腾回到所里,工作人员告诉他,中国农科院的吴孔明院士前来拜访,还留了张名片。龙腾对此将信将疑:一个大院士怎么会连招呼都不打,就自己过来了?

他上网一查,确有其人,赶紧把电话拨过去。原来,吴孔明想做监测昆虫迁飞情况的雷达,他知道北理工研制雷达的水平,两个单位只隔一条马路,他就直接找上门来。吴孔明一直想知道三件事:昆虫什么时候起飞;昆虫究竟怎么飞;昆虫迁飞时在天上有成层现象,到底是怎么成层的?

传统的探虫雷达,能够探测的是虫群。但龙腾团队想做的探虫雷达,是探测单只昆虫。

虫子那么小,如何认“敌”于千米之外?若用传统方法,要在这样距离上实现毫米级的测量精度,雷达带宽得达到150G赫兹,以现有的雷达技术根本不可能实现。

团队选择了“曲线救国”——间接探测。一共用四台雷达,包括一台天线长度达2.5米的相控阵雷达和三部2.5米天线的多频全极化雷达,一起锁定一只虫子。

龙腾比划着,尽力用浅显语言解释:“雷达回波的大小和测量这个回波所用的频率之间,有一个对应关系,呈现为一条曲线。”这条曲线,是研究雷达的人都知道的常识。“我们测量曲线上的几个频点,用它拟合、反演,推测出虫子的长度。”

基于大家都知道的这种常识,团队提出了新机理,也就此开拓了全新的应用空间。

不过,这种想法实在太新,新得让人心里犯嘀咕。一开始申请立项时,连原理是否可行都遭到了否定。团队抓了一年虫子,在微波暗室验证了原理可行;后来又去野外试验一年,验证了脱离实验室环境也行。2017年,探虫雷达终于获批国家重大科研仪器设备研制专项。

让卫星带“脑子”上天,中国独一家

边境线上,有龙腾团队的探虫雷达样机;在地球轨道上,就在此时此刻,也运行着龙腾团队的成果——星上合成孔径雷达成像处理系统。

雷达,跟人一样,有眼耳口鼻舌,可以收集信息;它还有大脑,可以处理得到的信息。龙腾团队一直做的,就是武装和升级雷达的大脑。

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传统的遥感卫星信息获取链路是地面任务规划、星上数据采集、原始数据下传、地面处理后信息分发到用户。随着我国高分遥感卫星技术的发展,星上获取的数据量呈几何级增长,海量数据需要传输、处理再分发,这就有一个突出问题——慢。

如果卫星能带着“脑子”上天,它可以剔除无效信息,只需要传输最终结果,数据量可以大幅精简。这样一来,地面接收数据的装置也能小很多。一艘船、一辆车甚至一个背上装备的人,都可以接收。

但“脑子”上天,约束条件太多,不能太重也不能太大,可用的处理资源只有地面的1/10到1/100。

“星上数据处理这个需求一直就有。2000年前后,我们就有一个以此为目标的预研课题。”但受到各种主客观条件限制,这在当时被认为“不可能”。不过,团队没有将这个想法抛之脑后,而是一直想办法向前推进,结合新的技术手段,设计新的路线。

算法、架构、芯片……关关难过关关过。用了十几年的时间,他们终于把这条路走通了。

“长期以来围绕国家需求开展体系化创新,持之以恒地努力,才最终促成了领先世界科研成果的诞生。”龙腾说得坚定,“碰到困难,我们是不退的。”

不退,所以雷达技术研究所成功构建了我国首个光学卫星星上处理系统和首个微波成像卫星星上处理系统。其形成的有效信息数据量仅为原始数据的千分之一,能从卫星直接广播给最终用户,延迟仅为分钟级。该技术成果于2018年获得国家技术发明二等奖。

系统已经稳稳当当运行了多年。龙腾说,应用单位对这套系统的评价是——革命性突破,跨越式发展。

值得一提的是,目前在轨卫星中搭载类似系统的,中国是独一家。

工作源动力不应来自外界,而是内心

龙腾带领的是一个充满创新活力的团队。团队获得过许多科技创新类奖项,攻克过不少难题,在雷达领域享有盛名。

大家常聚在一起讨论,交流思路,碰撞想法。团队不搞一言堂。“你们是相对平等的关系?”记者问。龙腾纠正道:“我们是完全平等的关系。”

所里强调一点——做研究是要做成事情;不能反过来,为了文章和奖项去做研究。“不能虚,要踏踏实实。”龙腾说。

采访中,龙腾常提到自己的导师——雷达技术研究所的创始人毛二可院士。毛二可研究了一辈子雷达,如今已年过耄耋,仍每天坚持到研究所工作。“就像打卡上班一样,从早到晚。”所里的工作人员说。

这种精神也感召着团队。

工作的源动力,不应该来自于外界,而应来自于自己的内心。“做我们这种研究,智力不是决定因素,努力才是第一位的。”没有成功来得轻松。“30年下来,我把自己所有时间的90%放在了雷达研究上。”龙腾总结。

这么“拼”,好像是一种习惯。

龙腾从小就是学霸,16岁,他就考上了中国科技大学。要知道,那一年,12个省区的状元都选择了这所学校,校内可谓人才济济。

本科毕业时,学的是无线电专业的他,盯上了当时在信息与通信工程名列前茅的北京理工大学,找到的是学院最有名的导师毛二可。龙腾的想法,就是找最好的。

时间已过了三十年,但回忆起本科,龙腾仍有些“耿耿于怀”——当年的他看了很多跟专业无关的人文类书籍。“周围的人都那么聪明,你还花很多时间干别的,可想而知,你的成绩肯定不是最好的。”他说。

到北京读研后,龙腾果断放弃了下围棋、打桥牌这些耗费时间的兴趣爱好,将更多精力放到了雷达研究上。“我接受不了自己不努力。”他平静地说道。龙腾知道,阅读其他科目的书籍是必要的,尤其路要想走得远,知识面就不能窄。但如果能再来一次,他想了想,还是说道:“我应该会在非专业类书上少花些时间。”

负责人如此自律且勤奋,雷达技术研究所在整个北理工,也以“要求严格”“工作辛苦”著称。“就立住你的规矩,凡是敢来、愿意来的,都做好了要在这拼搏的准备。”龙腾强调,“来了,就要特别能战斗。”

——《原标题:国外想不到的雷达,他和团队搞出来了》

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