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【編者按】為深入貫徹落實(shí)學(xué)校第十六次黨代會(huì)精神，開(kāi)展好“自信自強(qiáng)、奮楫卓越”主題宣傳，全面弘揚(yáng)“領(lǐng)軍”文化，展現(xiàn)廣大教師在教書(shū)育人、科研攻關(guān)、服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略中的良好精神風(fēng)貌，定格師者榮光，彰顯榜樣力量，黨委宣傳部特策劃推出《領(lǐng)軍?師者星輝》專(zhuān)題，致敬堅(jiān)守育人初心、勇?lián)鷱?qiáng)國(guó)使命的“領(lǐng)軍人”。今天讓我們一起走近前沿交叉科學(xué)院胡純教授，了解他投身氣象探測(cè)領(lǐng)域研究的奮斗故事。

從風(fēng)暴眼的上方看風(fēng)暴，是什么感覺(jué)？

北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)院的胡純教授站在實(shí)驗(yàn)室里，介紹起他所從事的低空氣象探測(cè)工作，“臺(tái)風(fēng)來(lái)的時(shí)候，從上部將探測(cè)器空投入臺(tái)風(fēng)中心，可以從中獲取關(guān)于臺(tái)風(fēng)和氣象的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，”他手持探空儀比畫(huà)著，“那感覺(jué)，就像是以‘上帝視角’在俯視臺(tái)風(fēng)?！憋w艇、雷達(dá)、火箭、無(wú)人機(jī)……多個(gè)部件集成于一體，在飛行中實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的原位探測(cè)、獲取高分辨率的數(shù)據(jù)，這是胡純所在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)并研制出的低空氣象探測(cè)儀所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破。

這種突破，能夠有效提高低空氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性?！巴ǔ＃覀兌际怯美走_(dá)來(lái)觀(guān)測(cè)，所能實(shí)現(xiàn)的分辨率一般是公里級(jí)別的。”而胡純所在的復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測(cè)中心研制的低空氣象探測(cè)儀器，可以將分辨率縮小至10米乃至5米的級(jí)別，其每秒鐘傳輸一組數(shù)據(jù)的高精度、高密度數(shù)據(jù)采集能力，可以對(duì)低空大氣環(huán)境進(jìn)行多要素、長(zhǎng)過(guò)程、精細(xì)化直接觀(guān)測(cè)，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

低空氣象探測(cè)：為飛行插上“智慧翅膀”

近年來(lái)，隨著低空空域逐步開(kāi)放試點(diǎn)，以通用航空產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，低空經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。低空飛行，具有“一高兩短”即飛行密度和頻次高、單次飛行時(shí)間短、單次飛行距離短的基本特征，這些特征決定了對(duì)低空飛行活動(dòng)的高影響天氣應(yīng)對(duì)，不能以預(yù)報(bào)為主，需要實(shí)時(shí)掌握起降點(diǎn)以及飛行線(xiàn)路上的氣象狀況，由此就對(duì)低空飛行的氣象保障等提出了更高要求，急需加大在低空氣象探測(cè)技術(shù)、飛行安全保障設(shè)施等方面的投入與探索，更加精準(zhǔn)地刻畫(huà)出低空大氣氣象環(huán)境，以保障低空飛行的安全、有序、高效開(kāi)展。

如果能夠預(yù)先判斷哪里有雷雨，還能預(yù)測(cè)出雷雨的范圍，飛行器是不是可以從雷雨云團(tuán)的間隙中穿過(guò)去？“為了安全，還是不要這么穿越，可以選擇從外圍繞過(guò)去……”胡純教授委婉地笑。準(zhǔn)確識(shí)別氣象條件和范圍，給予時(shí)間和空間上的有效選擇，這是胡純所在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的研發(fā)成果。

胡純是學(xué)校在低空氣象探測(cè)領(lǐng)域的主要研究人員之一，研究方向集中于先進(jìn)傳感與智能儀器、氣象信息感知與探測(cè)以及智能信號(hào)處理。低空氣象探測(cè)，不僅是低空飛行的重要一環(huán)，也是低空經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的基石之一。依托空地一體新航行系統(tǒng)技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、復(fù)雜環(huán)境智能感測(cè)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)勢(shì)資源，胡純所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了基于飛艇平臺(tái)的氣象探測(cè)系統(tǒng)：包含飛行控制器系統(tǒng)、艇載氣象雷達(dá)、浮空氣象感知節(jié)點(diǎn)、氣象感知節(jié)點(diǎn)定點(diǎn)投送裝置、艇載氣象接收器、空基超視距寬帶數(shù)據(jù)鏈、高分辨數(shù)字仿真系統(tǒng)等七大關(guān)鍵設(shè)備。

這“協(xié)同作戰(zhàn)”的七大設(shè)備，基本都由胡純所在團(tuán)隊(duì)科研人員創(chuàng)新研發(fā)：雙極化雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低空局部區(qū)域連續(xù)高分辨率觀(guān)測(cè)；多個(gè)輕量化探空儀則漂浮在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同的地方，可以進(jìn)行溫度、濕度、風(fēng)速和氣壓多要素參數(shù)的同時(shí)采集；艇載接收器則可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)研制的超視距寬帶數(shù)據(jù)傳輸鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)氣象探測(cè)信息的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)可靠傳輸……利用飛艇的長(zhǎng)續(xù)航和穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)能夠在數(shù)月內(nèi)持續(xù)采集高分辨率數(shù)據(jù)?！?022年的時(shí)候，我們的飛艇就已經(jīng)能持續(xù)飛行80天了，狀態(tài)很好，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，初步估計(jì)飛120天是完全沒(méi)問(wèn)題的?！?/p>

胡純教授在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

胡純介紹，憑借這些更全面、更豐富的多源直接觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以有效支持更專(zhuān)業(yè)、更細(xì)致的低空氣象研究，可以為無(wú)人機(jī)物流、空中交通等提供精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)——對(duì)于影響低空飛行較為嚴(yán)重的氣象要素如降水、霧霾、雷暴、垂直風(fēng)等，通過(guò)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)大范圍云水粒子的觀(guān)測(cè)，提前感知強(qiáng)降水、大霧、能見(jiàn)度低等氣象情況；通過(guò)氣象感知節(jié)點(diǎn)布撒實(shí)現(xiàn)局部風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，并探究溫濕度對(duì)其影響的內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)知低空氣流的活動(dòng)軌跡。此二者互補(bǔ)，將助力低空航危天氣短臨預(yù)警相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，不僅能夠?yàn)榈涂诊w行活動(dòng)提供數(shù)據(jù)支撐和安全保障，從而實(shí)現(xiàn)低空飛行器的“智慧飛行”，還能為低空經(jīng)濟(jì)保駕護(hù)航——有研究表明，對(duì)于極端氣候，預(yù)報(bào)強(qiáng)度誤差每減少1米/秒，可減少因?yàn)?zāi)經(jīng)濟(jì)損失近4億元；預(yù)報(bào)路徑誤差每減少1千米，可減少因?yàn)?zāi)經(jīng)濟(jì)損失近1億元。

科研，從來(lái)沒(méi)有坦途

瘦削的身材、眼鏡背后專(zhuān)注的目光，是同事們對(duì)胡純的第一印象。六年前，他從博士后研究起步，一頭扎進(jìn)了低空氣象探測(cè)技術(shù)的探索中。

輕量化探空儀和高精度傳感器，是胡純傾注了大量心血的設(shè)備。如果把飛艇看作一艘上天去執(zhí)行任務(wù)的“母艦”，探空儀所攜帶的傳感器就是整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)——傳感器如果不行，數(shù)據(jù)精度就不高，探測(cè)效果就必然不準(zhǔn)。

舉個(gè)例子，高空氣溫驟降，還會(huì)不時(shí)面臨雨滴、冰晶乃至冰雹的襲擊，必須給傳感器加溫才能使其正常工作，但是又不能讓這一“加熱”功能影響傳感器的性能，怎么實(shí)現(xiàn)這種微妙的平衡？“我們就要用很微小的電阻絲去控制好溫度，還要配合電路，施加合適的電流電壓、合適的時(shí)長(zhǎng)……過(guò)程非常精細(xì)?！睆拿舾胁牧?、結(jié)構(gòu)到封裝材質(zhì)、電路設(shè)計(jì)，再到加工制備，胡純?yōu)榱舜蛟爝@樣的傳感器費(fèi)盡心思?！扒扒昂蠛蟮巳甑臅r(shí)間，基本上天天跟這個(gè)東西打交道?！焙冃χf(shuō)道，“我們會(huì)把傳感器發(fā)上去做測(cè)試，如果測(cè)試結(jié)果不行，這一套就全都白費(fèi)了，就得重新優(yōu)化，再做仿真試驗(yàn)……這一過(guò)程非常磨人?！?/p>

低空氣象探測(cè)系統(tǒng)示意圖

通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)和使用策略的創(chuàng)新，胡純團(tuán)隊(duì)成功研制出了能適應(yīng)極端環(huán)境的高精度傳感器，即便是在臺(tái)風(fēng)或高寒地區(qū)，這種傳感器也能通過(guò)新材料和交替加熱測(cè)量循環(huán)保持高精度穩(wěn)定工作。他們研制的國(guó)內(nèi)最輕的探空儀也大幅減輕了重量，使得飛艇可一次性攜帶多達(dá)300個(gè)探空儀，有效延長(zhǎng)了任務(wù)時(shí)間和數(shù)據(jù)覆蓋范圍，成為持續(xù)監(jiān)測(cè)的革命性工具。

2024年10月，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“康妮”登陸浙江臺(tái)州時(shí)，胡純帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在臺(tái)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整套設(shè)備進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，兩天兩夜沒(méi)合眼的堅(jiān)守最終取得了圓滿(mǎn)成功。“非常緊張。等到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，所有的數(shù)據(jù)全都返回來(lái)了，我們才松了一口氣?！焙兓貞浤翘斓母惺?，“兩天沒(méi)睡覺(jué)，但是你都感覺(jué)不到困意?！边@次實(shí)驗(yàn)的成功，驗(yàn)證了學(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)技術(shù)的可靠性，也為低空飛行安全提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

筑起堅(jiān)實(shí)的“盾牌”

“目前，我們?cè)趶堒娫菏繋ьI(lǐng)下，依托航行系統(tǒng)技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三十余年積累的成果和經(jīng)驗(yàn)，正在部署航空5G專(zhuān)網(wǎng)，以后地面端設(shè)備、可移動(dòng)設(shè)備、飛機(jī)上的設(shè)備等都能連入我們的5G專(zhuān)網(wǎng)，”胡純教授介紹，“從數(shù)據(jù)監(jiān)管和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)角度講，這將會(huì)讓航空飛行更加安全?！?/p>

如果說(shuō)低空氣象探測(cè)是為低空飛行插上的“智慧翅膀”，低空安防就是學(xué)校為天空筑起的“盾牌”。

低空經(jīng)濟(jì)浪潮帶動(dòng)了無(wú)人機(jī)的井噴式發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前無(wú)人機(jī)機(jī)型已超千種，通信體制差異巨大，為無(wú)人機(jī)低空飛行管控帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，大量黑飛無(wú)人機(jī)對(duì)社會(huì)安全造成嚴(yán)重威脅。建立健全無(wú)人機(jī)探測(cè)與反制技術(shù)體系，已成為保障低空經(jīng)濟(jì)持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展的重中之重。

視覺(jué)、雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)電頻譜偵測(cè)是當(dāng)前無(wú)人機(jī)反制的主流手段?！巴ㄟ^(guò)多臺(tái)天線(xiàn)接收同一無(wú)人機(jī)電磁信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)處理后可識(shí)別無(wú)人機(jī)的無(wú)線(xiàn)電頻譜特征，并實(shí)現(xiàn)對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)的反制?！焙兘榻B，目前，團(tuán)隊(duì)已在珠海校區(qū)率先開(kāi)展了視覺(jué)、雷達(dá)與無(wú)線(xiàn)電三類(lèi)手段融合反無(wú)技術(shù)驗(yàn)證，構(gòu)建了一定規(guī)模的反無(wú)試驗(yàn)場(chǎng)，在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)分布式部署了無(wú)線(xiàn)電偵測(cè)天線(xiàn)、地基光電艙、相控陣探測(cè)雷達(dá)，建設(shè)了超算與聯(lián)合指控中心，已完成多型非合作無(wú)人機(jī)的探測(cè)與干擾實(shí)驗(yàn)。

為深入貫徹落實(shí)國(guó)家低空領(lǐng)域安全管理決策部署，學(xué)校正在探索統(tǒng)籌推進(jìn)低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展與安全防控體系建設(shè)。在體系布局方面，以“全域覆蓋、重點(diǎn)突出”為導(dǎo)向，依據(jù)空域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，科學(xué)劃分核心管制區(qū)、監(jiān)視緩沖區(qū)和開(kāi)放報(bào)告區(qū)，構(gòu)建“空地協(xié)同”的立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)不同區(qū)域特性，則差異化部署探測(cè)設(shè)備，形成層次分明、覆蓋全面的防控格局。同時(shí)，結(jié)合地理網(wǎng)格管理理念，細(xì)分防控單元，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)測(cè)與協(xié)同聯(lián)動(dòng)，筑牢低空安全防護(hù)屏障。

部分儀器實(shí)物

胡純教授所在的團(tuán)隊(duì)——復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測(cè)中心，是一批國(guó)內(nèi)外高層次人才組成的隊(duì)伍，由首席科學(xué)家張軍院士領(lǐng)銜，鄭德智教授擔(dān)任責(zé)任教授，團(tuán)隊(duì)成員包括了1位院士、5位顧問(wèn)院士、5名國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才、14名國(guó)家級(jí)青年人才、2名青年托舉人才，持續(xù)瞄準(zhǔn)深空探測(cè)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)、載人航天等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，圍繞極端環(huán)境感知、智能組網(wǎng)通信、群智協(xié)同控制方向開(kāi)展科學(xué)研究，專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域跨度深廣，涉及儀器科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程等交叉學(xué)科。目前，已先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器專(zhuān)項(xiàng)、重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，教育部集成攻關(guān)大平臺(tái)項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等90余項(xiàng)，構(gòu)建了包括智能信息處理、復(fù)雜光纖探測(cè)與通信、無(wú)人裝備協(xié)同組網(wǎng)控制在內(nèi)的多個(gè)科研平臺(tái)。

從實(shí)驗(yàn)室到低空前沿，每一臺(tái)設(shè)備、每一組數(shù)據(jù)、每一次實(shí)驗(yàn)，都承載著科研人員的夢(mèng)想與汗水。低空交通是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，但安全是首要前提。在低空交通領(lǐng)域的科研成果，展現(xiàn)了學(xué)校在空天領(lǐng)域的深厚實(shí)力。懷抱對(duì)國(guó)家需求的深刻理解和對(duì)科研的熱愛(ài)，一批批科研工作者們，正以頑強(qiáng)意志和拼搏精神，用科技硬實(shí)力護(hù)航低空經(jīng)濟(jì)。