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张明高:沉浸在“永不消逝的电波”里

2017-06-15 00:39:38中工网我要评论(0条)

  ■张明高在查阅资料。

  ■为学生指点迷津。

  ■虽然年事渐高,张明高依然笔耕不辍。

  院士语录

  我可以不退休,一直搞电波传播研究了。

  能够终身从事自己热爱的工作,就是对一个科学工作者最大的恩赐,也是我最享受的人生。

  工作之后几十年都养成了这样的习惯,只要觉得有哪方面知识不清楚,就会从头学习。

  真正做得好的一定是能够和地方应用相结合的技术进步,如果我们立足本土,做出5G+海洋学,发展海上移动通信,尽快形成大家都认可的标准,才会是未来的“领头羊”。

  院士简介

  张明高,1937年出生于湖北省京山县,现为中国工程院院士、中国电波传播研究所研究员、中国海洋大学和山东大学信息学院的博士生导师。国际著名无线电波传播专家,长期致力于地面和空间无线通信及频谱管理等领域的电波预测技术研究及其在工程中的应用。他所提出的全球适用的对流层散射传输损耗统计预算方法,1990年被国际无线电咨询委员会采纳,取代了美国NBS方法和法国方法。

  电波传播,是一个奇妙的世界。随着信息化时代的来临,我们看电视、听广播、用手机……似乎所有与这个世界的连通,都离不开那些看不见摸不着却在空中永不消逝的电波。而以信息技术为核心的现代军事领域,电波更是传递能量和信息至关重要的载体,电波传播自然也成为世界各国激烈竞争的研究领域。

  在新中国电波事业不断发展壮大,直至走向国际舞台的历史进程中,有一个人的名字不得不提,他就是中国工程院院士张明高。这位我国电波传播研究领域的学术带头人,改进和发展了五项ITU-R(国际电信联盟)建议中的关键技术模式,得到世界各国权威电波传播专家的公认。其中,由他创立的“Zhang氏方法”——“全球适用型对流层散射传输损耗统计预算方法”替代了曾在国际上沿用二十多年的美国NBS方法,成为现行国际通用的唯一标准。

  1999年,张明高当选院士时曾经说:“我可以不退休,一直搞电波传播研究了。”现如今,已经80岁的张明高不仅每天早上按时到中国电波传播研究所上班,还担任着中国海洋大学和山东大学信息学院的博士生导师,同时正在积极牵头研发第五代移动通信技术(5G)。对于张明高来说,能够终身从事自己热爱的工作,就是对一个科学工作者最大的恩赐,也是他最享受的人生。

  棉花地里走出来的状元郎

  不熟悉张明高的人或许不会想到,取得如此卓越成就的张明高实际上却是一个“非专业人才”——大学里他学的是数学专业,而不是支撑电波传播的物理专业。在张明高的一生中,“自学”是他最熟悉的一个字眼,也是他最珍贵的一项求知本能。

  张明高的父亲上过正规的官学,在村里是能写会算的人。从4岁开始,张明高就在父亲的教导下识字、打算盘。父亲算得上是他的启蒙老师。6岁,张明高开始上私塾,他的聪慧很快就在同龄人当中凸显出来。“我至今还能清楚地记得先生出过的题:木马板凳33,100只脚地上站,多少木马,多少板凳?”类似这样的测验,张明高总是能最先算出答案,令大家很吃惊。

  但生活在张明高10岁那年出现了分水岭,让他的求学路不得不中断。遭遇土匪抢劫、父亲受重伤,各种生活磨难接踵而至,张明高作为长子,只能留在家中务农,锄草、梨地、拔棉梗、收庄稼。张明高在家里干了近4年的农活,不能上学堂,他就自己看书,大概也就是在这个阶段,他开始树立强烈的自学意识。

  新中国成立以后,张明高才有机会读小学、上中学,并以荆州专区12个县总分第一名的成绩考取天门高中,之后又如愿考入了武汉大学数学系。但他的大学生活,基本是在政治运动中度过的。在那段特殊的日子里,学习秩序受到严重干扰,怎么学、学多少,完全取决于自己。“大学阶段我几乎全部是自学的,我从来没忘记过自己为什么要进大学,不管政治运动多么激烈,我都会尽量专注于自己的事情。”张明高说,现在回想起来,大学阶段的经历客观上培养了他的自学能力和抗干扰能力。

  张明高毕业分配进入国防科委十院十九所从事电波观测工作。他发现绝大部分同事都是物理专业的,他自然而然地又启动了“自学程序”。“当年,包括我在内只有4个数学系的同学去报到,我被分到理论研究组,主要任务是协助老同志查阅技术资料,进行数学公式的推导。但工作一段时间后我发现,一些物理概念不清楚,数学上就无从考虑。”从1962年至1963年,张明高从单位图书馆借来了大量的书籍,业余时间自学了北大、清华的物理课程。此后几十年,他也养成了这样的习惯,只要觉得有哪方面知识不清楚,就会从头学习。

  爬遍多个山头坚信“实践出真知”

  说起来,张明高真是和青岛有缘。1964年,他从理论组转到海上组,开始了电波环境观测研究探索的新历程。当时,二战时期人们发现的新的电波传播方式——对流层散射,已经在世界各国掀起了研究热潮,我们国家也建立了观测站进行试验,包括海上站和高山站,而海上站的两个收发站点就分别设在青岛和上海。

  “对流层中存在着湍流气团,电波信号遇到这样的大气结构时,就会发生散射,这就相当于空中有一个转发器,在转发器的作用下,电波信号在空中传播的范围就比较远了。”张明高告诉记者,上海观测站设在南翔,青岛站设在伏龙山,两地相距大约500公里,试验的基本过程是在青岛通过发射机发射信号,在上海站接收信号。“海上天气变化复杂,云层、反气旋、气压、雨雾、风向、风力等都会对信号有影响。有时还会出现反常传播。”为了进一步考察大气波导传播(一种特殊的传播通道),张明高还和同事一起带着接收机跑到江苏如东做过探空试验,将带着传感器的气球放到空中,记录不同高度的温度、湿度和压强,再把折射指数换算出来。

  张明高在以后几十年的研究工作中,一直注重实践出真知,而这一思想大概就是在海上组参加科学实验的阶段形成的。他在回忆中说,20世纪60年代至70年代进行的大量的实际测量工作为之后对流层散射传播系列成果的取得奠定了坚实的实践基础。

  20世纪60年代后期,已经搬到河南新乡刚筹建的中国电波传播研究所(22所)的张明高,受命协助总参通信兵部进行对流层散射线路设计、通信研究以及系统试验等工程任务。在这项任务中,最辛苦的就是爬山头,从泰山到鸡公山、金刚台、王莽岭……观测站点多设在山顶上,可当时多数山路都无法通车,1500米高的海拔也得自己背着笨重的设备往返。冬天,大雪封山,最低温在零下20摄氏度;夏天,经常打雷闪电,时不时就有火球窜入机房在地上滚动。

  艰苦的环境却没有消磨大伙的意志,爱动脑筋的张明高也是在这个时候逐渐崭露头角。北京房山到山西王莽岭试验段,只有300多公里的电路,却出现了即使把发射功率开到2000瓦,通信质量也非常差的现象。这个问题困扰大家好久,张明高反复琢磨了站点之间的地形后,提出了“建设一个山峰绕射电路”的想法,把天线、接收机等设备终端从北京房山挪到了周口,只用50瓦的功率发射,信号就非常稳定。

  将电波中国标准确定为“唯一标准”

  通过参加实际的科学实验,张明高对电波的认识不再是书本上的名词和概念。他深深地感知到,电波传播既有空间、时段和季节的变化,又有频域的变化,规律异常复杂,单从传播实验的角度,永远不可能全部掌握把控其客观变化规律。对于对流层散射传播,需要从理论到实践好好做一番总结,形成一套切实可用的技术成果。

  “当时对流层散射通信电路设计在国际上都没有标准。我希望能建立一个标准,哪怕只是一个中国标准。”张明高把国际上已经提出的多种方法都拿出来测算,却发现无法适用于中国实际。“每个国家都是根据自己的数据得出的模型,拿别国的数据来验证时,就对不上。而且这些方法也不简便,例如当时美国国家标准局(NBS)提出的一套方法得到了比较广泛的关注,但是厚厚的一大本,操作使用起来极其麻烦。”于是从1970年开始,张明高开始自己着手撰写《对流层散射传播》,希望能探索出一种适用于全球的普遍的理论方法。

  1976年,张明高首次出国,参与了日内瓦国际电联会议,顿时思路大开。在此之前,他从未想过要把自己的成果提到国际电联。但是回来之后,他发现已经被放在国际电联ITR报告里的美国方法和法国方法并不比中国的方法好,便立即着手准备提案。提案的内容就是他的专著《对流层散射传播》中的一部分——对流层散射传输损耗统计预算方法。

  应当说,张明高和那些较早走出国门的科学工作者一样,具备了国际视野。而一旦思想“开化”,前行的脚步将无法停止。这也就注定了,他将有意识或无意识地肩负起为新中国科学技术谋取国际地位的使命,架设了一条属于中国人自己的,走向国际科学电信领域最高殿堂的道路。

  1977年,张明高向国际电联提交了提案。他是我国第一个向国际电联提出提案的人,他的文稿在提出当年就与美国方法、法国方法一起被国际电联放在了238号报告之中。从1978年起,几年时间里,各个国家都对美、法、中三国方法进行检验研究,看哪个方法更好。1985年,为了对三个方法进一步进行检验比较,国际电联颁布了全球对流层散射数据库。大家发现,根据中国的提案算出的结果不仅与中国的数据吻合,与国际上其他气候区的数据也是相符的。更重要的是,这个方法使用起来只需要几个公式,拿计算器就能算出来。

  经过十几年的论战,1989年的国际电联会议上,所有参加会议的代表都同意用中国方法替代美国方法。1990年,国际电联全会直接将“zhang氏方法”写进了报告。1992年,国际电联将报告升级为建议书,将中国方法确定为唯一“国际标准”,即各国可以根据意愿选择任一计算方法,但是涉及国际事务和纠纷时就必须按照建议书中的国际标准来处理,这就是它的权威性。

  晚年再攀5G技术新高峰

  对流层散射提案是中国第一个被国际电联采纳,而且是作为独立标准被采纳的提案,意义非凡。对于多数人而言,一生有一个这样的成就,已经难能可贵。但张明高却不肯停歇,一如他当年一次次攀上顶峰建设观测站的勇气和毅力,他在电波传播的世界里也不断向新的领域发起了冲锋。

  此后的几年里,凭借卫星移动通信系统的研究,张明高又连续刷新了三项国家电信技术研究的最高成就。1997年,他的大气衰减简易预测方法取代了《ITU-R 676建议》中的英国方法;同年,他的“海面反射衰落预测方法”,取代了《ITU-R 680建议》中的日本方法;1999年,他在国际上首次创立了电离层闪烁衰落长期分布预测方法,纳入《ITU-R 531建议》。随后,张明高院士进一步投身于区域频谱管理课题,又在这个全新的领域做出了新的成就。他的一生,刷新国际电联五项国际标准性建议,撰写四部专著,编制四项国家标准,主持完成十几项科研课题,先后7次获国家和部委级科技进步奖……在科技前沿打拼了五十多个春秋的张明高,一直在努力着,奋斗着,根据祖国的需要“转战疆场”成为他的一种科学姿态。

  前两天,记者见到张明高的时候,他欣慰地表示,自己现在虽然不再主导对流层散射传播的研究,但这项工作已经后继有人,他的弟子赵振维现在是中国电子科技集团公司首席专家,也是国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)第三研究组的副主席,正在对对流层散射传播计算方法的区划边界进行重新界定。“因为抗核爆炸能力强的特点是散射通信独具的,所以对流层散射通信在现代仍具有非常重要的意义。”

  “那么,张院士,您现在又开拓了什么新的研究领域?”

  “第五代移动通信技术,就是你们年轻人都很熟悉的5G。”张明高透露,近期他正在和李沧区政府、中国电波传播研究所、中国移动三方合作,打算把这个研发项目搬进青岛国际院士港。据了解,与2G、3G、4G不同,5G并不是一个单一的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术演进集成后的解决方案总称。5G是面向2020年移动通信发展的新一代移动通信系统,具有超高的频谱利用率和超低的功耗,在传输速率、资源利用、无线覆盖性能和用户体验等方面将比4G有显著提升,但目前还属于技术标准的研究阶段,谁先突破,谁就能占据制高点。

  而张明高属意的不仅仅是纯技术的提高,他希望自己的研究能把5G和青岛的海洋特色相结合,“国际上都在做,真正做得好的一定是能够和地方应用相结合的技术进步。如果我们立足本土,做出5G+海洋学,发展海上移动通信,尽快形成大家都认可的标准,才会是未来的‘领头羊’。”(记者 王 娉)

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