清华人的雷达情缘
清华大学新闻中心副研究员 刘冬梅
在气候变幻莫测的西藏雪域高原上，一部外貌独特的测风雷达依然在正常运转，它酷似由多支带刺利剑组成的天线阵列“射” 向天穹，正跟踪着飞向远方气球上的探空仪器，不断地获取着多种宝贵的高空数据，这使得四十年前曾为研制它而付出大量心血的清华大学无线电系（现为电子系）退休教授朱正中感慨颇多：几十年过去了，这种在五十年代末针对我国高空气流特点和国情，在缺乏经验和没有先例可循的情况下，完全依靠自己的技术研制成功的全国第一部测风二次雷达，它依然在全国气象第一线发挥着作用。
当几十年后的今天，我们追记清华人的创业史，我发现，自从他们选择了与雷达结缘开始，勇于啃硬骨头与无私奉献就与他们紧紧相随。
“测风二次雷达只是清华多项雷达研究成果中的一项，它是用来对高空大气进行综合性探测的雷达。它与探空气球相配合，可用来测定高空的风速、风向、气温、气压和湿度等多个气象要素，对预报天气、航空等等都有重要的作用。”提起测风二次雷达，这位如今已是年逾花甲的教授话匣子就打开了。
“这个项目是‘大跃进’时提出来的，我参加了研制的全过程。当初因各种气象勤务的需要，中央气象局等有关部门向我校提出了研制二次测风雷达的要求，于是系里决定接受这一研制任务。”
“当时这一任务对我们来说还是很艰巨的。在决定研制测风二次雷达之前，我国测量高空风主要是用光学经纬仪跟踪气球来进行，用雷达来测风在我国尚无先例。而且那个时候无线电系刚组建不久，整个系没多少人，在专业方面更缺乏实践经验。但当时国家迫切需要这种雷达。”
面对这种情况，为了更好地完成任务和培养锻炼队伍，1958年10月，清华无线电系领导班子决定，主要依靠一批提前留校参加工作的年轻教师和高班学生来投入这一课题的研究，再加上少数年长教师。系里组织了约二十人的研究队伍，分成天线、收发和显示3个组开始了测风雷达的设计研制工作。中央气象局也派人参加了这一工作。
“在研制过程中我们遇到了许多困难，最大的难题是没有任何可借鉴的资料。因此首先在采用什么方案上就费了些脑筋。是搞一次雷达还是搞二次雷达？”当时苏联使用的测风仪器是马拉赫，虽然有源，但它不是用雷达测距，只是一种无线电经纬仪，探测的范围和精度都不够，无法借鉴。他们同气象局的同志一起经过仔细的分析比较，最后一致决定搞二次雷达。“首先是二次雷达可以精确测距，而且应答器能兼作探空仪的遥测发射机，能实现对高空温度、湿度、气压、风速和风向的综合探测；其次，由于应答器是有源的，二次雷达发射机所需功率比一次雷达小得多，有利于远距离探测；第三，由于地面发射功率小，近地域回波少，也有利于近距离探测。”老雷达教研室主任陆大●教授解释说，所谓有源应答器，是将气球放出去，在气球下挂一个无线电回答器，雷达在这里发信号问他，应答器收到之后就回一个应答信号给雷达，随着气球的不断升高，通过雷达对它的定位，用来测高空的风速和风向。
方案确定之后，朱正中、杨弃疾等就带领毕业班学生开始了研制工作。朱正中回忆说，其实在没有定方案之前，他们就已经开始自学这方面的技术知识了。“我们只学习过一些基本课程，在专业方面的知识很有限。为了能解决国家这一急需的项目，只能抓紧时间学习。”
工作伊始，他们首先要确定的是雷达的工作频率。据说当时美国和英国都已经有二次雷达了，但他们工作在微波段频率，探空仪上的应答器代价非常高，这种应答器是消耗性的，一个气象站点一天至少要消耗两个，我国不可能采用如此昂贵的方案，要考虑选用经济上既能够承受，同时又能满足性能要求，工作频率尽可能高的器件。朱正中回忆说：“核心问题是高空探空仪的设计。我们最开始选的是采用600兆的频率，用一个普通真空三极管来实现这种具有应答功能的探空仪的设计方案，当时这样的管子也需要工厂专门研制。为了这个频率，我们同气象局合作，利用了气象局唯一的一个温湿压联合试验仪，模拟探空仪在高空的工作环境来做试验。每次实验连续好几天，仪器的温度和气压才能降下来，从而达到要求。试验结果表明，尽管工作在600兆的频率是可能的，但功率太小。”于是决定采用工作频率400兆的电子管，使性能可能达到最佳。同时在这个频率下开展全部工作。朱正中说：“确定这个频率关系非常大，一方面它决定了探空仪的研制，另一方面还直接涉及到雷达的设计。因为频率变了以后，天线和收发系统就要跟着变。为了达到一定的测向精度，频率越高，天线可以做得更小巧，探测的角度可以低，从而测得更远。”
1959年1月大体确定了具体方案后，当时清华大学无线电系9字班的一部分同学毕业设计就定在这个项目上。系里的领导下了很大的决心，动员全系的力量来保证这项工作。天线的设计是整个雷达实现的关键难题之一，要求在工作频率较低的情况下，不仅能保证低空的测角精度，还要能实现扫描测角。在杨弃疾老师的直接参与和指导下，几个9字班的学生日夜奋争，攻克了这个“拦路虎”。接收组和发送组的师生也投入了新型接收机和发射机的研制。从方案开始，还有从机械系专门调来的3位同志参加，找来了旧雷达的车厢和日本留下来的炮筒子来做天线底座，在实验室搭起一个试验性的雷达。1959年暑期，学生的毕业设计有了结果，可以做试飞了。“在那‘一天等于二十年’的‘大跃进’年代，我两个月的时间没有回宿舍睡觉，有一次半夜两点多钟，要放气球时发现充气的原料没有了，气象局的同志当时就蹬了一个三轮，带了器具回到气象局，返回来时已经三四点钟了，再放气球，分秒必争地进行试验。”
亲身参加这一项目的师生都清楚地记得，这个项目是大家整天整日、没有晚上白天之分干下来的，当时大家真是不顾一切地干。在参加项目全体人员的共同努力下，1959年12月，清华无线电系的师生做出了第一台样机，随后朱正中等几人整理好研制资料，到武汉某厂同工人们一块试制样机。1963年在该厂做出了5台样机，在样机的基础上，有关部门又对该雷达进行了两次大的改进。经过两年的努力，天线和探空仪的研制工作同时获得了成功。接着，国家为它专门筹建了工厂投产，这一成果装备了全国的气象台站，共两百多个站点，是每个站点主要的大型设备之一，它使我国的高空探测向自动化方向迈出了第一步，并跨入了当时国际先进行列。就连当时在探空仪的研制开发方面赫赫有名的芬兰瓦依萨拉公司总裁瓦依萨拉教授来华参观后也叹为观止，认为中国确已自己解决了探空系统全套装备问题，打消了他们想打进中国市场的念头。
清华无线电系师生的努力给清华带来了荣誉，给国家解决了难题，但同时他们也付出了身体的代价。朱正中教授当时在武汉做样机的一个多月里，就因长期的劳累，几天几夜不睡觉，吐了好多血，最后由厂长亲自陪着回到了清华，到现在为止朱正中教授的肺有时仍然不太好。当时的清华人就是这样从不考虑个人的利益，他们的心里装的只有国家，只有工作。他们在不断接近成功的同时，奉献也相伴而至。
其实，与二次雷达研制小组一样甘当无名英雄、做出了出色成绩的还有多个其他课题组，包括该系微波参量放大器研制小组。当时系里的总体思想是解决雷达中急需解决的核心问题，而参量放大器就是雷达中急需解决的核心重点。这是降低雷达接收机噪声的一种特殊技术，将参量放大器加装到雷达设备的前端，可以提高信号强度，使雷达接收系统的噪声系数有很大的改善，从而加大雷达作用距离。从理论上讲，噪声降低多少倍，等效于雷达发射功率增加多少倍，而发射机的耗电量几乎相当于一个小型发电站，可见它的效益之大。参量放大器具有体积小、重量轻、安装方便、耗电量低等特点，是当年的先进技术。早在1959年，清华无线电系在吴佑寿教授（当时还是讲师）的直接领导下就开展了多年的研究，取得了成果。曾参与该课题研究的高葆新教授说：“无线电系研究的参量放大器，在1963年通过成果鉴定，技术上达到了当时国际先进水平。”
陆大●教授回忆说：“国外最早研究参量放大器的是美国麻省理工学院，它的出现是在五十年代末～六十年代初，我们从起步研究到成功应用，比国外大约晚1～2年，从研制成功到应用，比国外也晚1～2年。但我们研制的所有的部件都是国内自己做的，而且是在国外技术全面封锁的情况下做出来的，所以困难很大，对研制人员的技术要求是全方位的，因为它牵扯到许多技术面，从电路理论到设计技术、半导体元器件、图纸、功率源、机械结构、钻孔、腐蚀这一系列技术，都是我们系的年轻教师和进行毕业设计的学生自己做的，先后有十几个人参加，使该雷达接收机的噪声系数比原有的雷达改善6～7分贝，等效于发射机加大功率四～五倍，能使雷达作用距离增加30～40％。”
当时还有一些单位也进行参量放大器的研究，但由于清华无线电系搞得最快，并且提前在实际中得到应用。有关专家后来指出，清华当时要解决的不仅仅是实验室的技术问题，还解决了一系列应用中的实际问题。不管有多大困难，一定要将研究工作做彻底，就是他们的决心所在。
为了成功地解决实际应用的一系列问题，清华人可是吃了不少苦。高葆新教授回忆说：“试验是在一个海岛上进行的，那时岛上的生活条件很艰苦，一周才用小船运一次生活必需品。但对我们几个教师是特殊供给：每顿一碗米饭，一块咸菜，一个摊鸭蛋，吃了一个月。记得刮台风的时候是不能出海的，雷达是在山顶上，住房是在半山腰，吃水很紧张，每次还要抢在台风前把成百公斤重的巨大天线拆下来，以免被台风吹坏。当台风来的时候，即使住房旁边就是厕所也不能去，非要上厕所就得几个人牵着手，还得抓着旁边墙上的栏杆才能去，否则很有可能被台风吹下山。我们经受这样的环境体验后，更坚定了工作的决心和信心：一定要将工作做彻底。回来后我们又对研制的成果进行了许多改良，在结构上又进行了进一步改进，使参量放大器更便于使用，减少维护，安装方便。随后即由工厂进行生产，并派最强的骨干教师长期下厂指导，直到生产出一批合格产品。
该成果批量生产后，我们继续进行不同形式的、不同型号的参量放大的研究，先后研制了许多种参量放大器，包括用于卫星测控雷达，为‘两弹一星’做了贡献。这方面的研究一直延续到七十年代，以后转入更新技术集成电路研究。”
朱正中教授说，清华人当时总的指导思想是强调真刀真枪地搞毕业设计，要解决实际问题，根据国家需要搞先进的课题研究，而且必须要做到能应用了才行。“当时没有考虑个人的余地，就一个心眼，非做出来不可。因为国家需要。”
老系主任李传信经常用事业心和责任感激励青年教师的情景至今还让教授们印象深刻，当时大家很难受的事是吃不饱，经常是试验完上岸后就没吃的了。但看到自己的研究成果在许多雷达上推广应用，这些苦也是不算什么了。
最令大家感到骄傲的还要数1985年荣获国家发明一等奖的“自适应和数字电可控非相参频率捷变雷达系统”研究。
清华大学无线电系是在1965年提出做全相参自适应变频雷达的。在没有任何可借鉴资料的基础上，开始了这一探索行程的拼搏。怎奈，1966年的“红色风暴”，使这一艰苦征程一度搁浅。“文革”中间清华无线电系曾同有关单位论证了一年多的方案，但真正开始研究是在“文革”结束后的1979年。
在多年预研的基础上，大家分析认为当时只有频率捷变技术是对抗有源瞄准式干扰的有效的“克星”，将现有雷达改装为频率捷变雷达后，不但可以大大提高现有雷达的抗干扰性能，而且可以使现有雷达装备获得新生，延长其服役期，从而节省大量开支。
但一般的频率捷变雷达对抗宽带阻塞式有源干扰的能力差，只有数字式电控频率捷变雷达系统才能很好的抗宽带阻塞干扰。当时国外电控和自适应频率捷变雷达都是全相参雷达，它是由很小的信号一直放大到功率很大再发射出去，在小信号的地方进行控制。但放大的过程中要放大许多级，设备造价高，雷达系统技术复杂，不符合我国国情。只有研制出非相参电控频率雷达系统，才能避免全相参造价高的缺陷。但在非相参雷达系统中实现快速自适应频率捷变还没有先例，怎么办？
在那人们心中只有国家的年代，国家的需要就是科技工作者的志愿和拼搏的动力。当时清华大学无线电电子学系的领导班子当机立断：为了社会主义祖国，“啃”下这块硬骨头。
经过认真的分析和论证，该课题组提出了自适应的频率捷变研制方案，这种方案是在干扰来的时候，在雷达工作的空闲时间分析干扰的情况，看哪里干扰最弱，频率就工作在哪里。这种频率变化要非常快，快到雷达这边发出一个信号，敌人收到后想要对此信号进行干扰时，下次这边的信号已经发生了变化。
1978年10月，刚刚从绵阳分校归来的雷达教研室的师生们马未卸鞍，就投入到自适应和数字电可控非相参频率捷变雷达系统的研制中。以茅于海为首组成了一个攻关小组，“那个时候是开开一个搬迁回来的箱子，拿出一把烙铁就开始工作了。”曾从头至尾参加这项研究课题的周广元教授说，“我们所做的是改造现有雷达，用相当便宜的手段，将这项工作完成好。当时美国是用上千万元装备一部雷达，我们是要用十几万元钱改造一部雷达，而且在抗有源干扰的性能上要达到同样水平，甚至更高，难度可想而知。”
在有关单位的密切配合下，1981年3月完成了性能样机，1981年9月进行了海上试验，并于同年12月通过了鉴定。1983年8月又完成了新型号的性能样机，并于1983年9月进行了海上试验。试验结果表明自适应频率捷变系统达到了原设计要求。周广元教授说，在进行该课题研制的这5年的时间里，大家没有休息一天。因为当时进行该课题研究的不止清华一家：“要想抢先出成果，就得加班加点；要有所创新，就要出思想；要有好的抗干扰性能，就要用更新更难的技术。”当时的工作相当艰苦，“‘四人帮’倒了，大家的思想得到了解放。当时研究小组的成员大都40岁了，搞了十几年科研了，还没有搞出顶尖的东西。当时只想多些、快些出成果，经常夜里三四点钟才回家，那才真是玩命干。晚上饿了就在办公室里煮点面条。”
雷达一般都建在最高、最边缘的地区。在岛上做试验时，他们带了56个箱子的设备，完全是自己打包、装运。雷达建在一个四百五十公尺的山头上，要用汽车把研制的设备运上去架好。由于山高坡陡，同去的摄像师被甩出了车外。
那段时间的生活真是有苦有乐、有惊有险。”周广元教授感慨且饶有兴致地说，“在试验将要结束的一天半夜里，我从山上的雷达站下来，路上见到一条长长的银环蛇，当时心里特别怕，小心奕奕地躲过它回到住处。回去一说，大家都不甘心，于是几个人一同去抓，用一条麻袋，把蛇引到麻袋里，第二天把蛇杀了，大家喝蛇胆庆功酒。”
工作要做得彻底，要靠一个团队；研究要搞到都能用，用时大家又都满意。清华人就是以此为研究的指导方针，苦干加巧干，在有关方面的积极支持下，推动了国内频率捷变雷达事业的发展，使他们的研究成果经受住了时间和实践的考验。
1983年12月26～27日，该项成果鉴定会在清华大学隆重举行。与会专家经过认真的分析和测试，一致认为：所鉴定的系统工作性能稳定可靠，方案先进，设计合理，采用了先进的技术和电路，结构和改装雷达一体化，操作简便，便于推广。在非相参微波雷达上实现自适应频率捷变不仅在技术上是一种创新，也是一项改造老装备的多快好省的途径。一致通过了对该项成果的鉴定，该成果最后荣获国家发明一等奖。
历史终归是历史。清华大学无线电电子学系的开创者们虽然没有在功劳簿上为自己写下一笔，但他们的精神却无形地影响着新一代的清华人。今天，年轻的清华人继承了老一辈的雷达缘，在雷达研究曾一度走入低谷，教研组面临解体的情况下，经过5年的攻坚战，终于又重振昔日雄风，攀登新的顶峰，取得了国家科技进步二等奖、三等奖及十多项部委级奖的佳绩，掀开了清华雷达研究史上新的一页。更加广泛的研究领域、更加多元的探索空间，激荡着清华人的雷达情缘，他们的思虑更深远，视野更广阔……
