創(chuàng)世界記錄！“火眼金睛”探測復雜世界的光譜密碼
發(fā)布日期：2024-11-08 供稿：黨委宣傳部 劉曉俏,、臧瑞楠 攝影：郭強
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：
北理工張軍院士領(lǐng)銜的科研團隊秉承“報國擔當,，知微見著，交叉協(xié)同,，卓越創(chuàng)新”的精神,，在科技報國之路上勤耕不輟，6年甘坐“冷板凳”,，潛心鉆研“熱課題”,，聚焦片上光學研究新領(lǐng)域，攻克一個個關(guān)鍵核心技術(shù)難題,。小小器件發(fā)揮大大作用,，用光探測復雜世界，性能指標國際領(lǐng)先,，相關(guān)成果被《Nature》報道,。
創(chuàng)新突破，開辟片上光學研究新領(lǐng)域
高光譜成像技術(shù)是一種能夠同時獲取目標空間幾何信息和多波段光譜信息的光學探測技術(shù),，在衛(wèi)星遙感,、深空探測、新質(zhì)裝備等領(lǐng)域具有重大應用,。然而,，現(xiàn)有高光譜成像技術(shù)存在系統(tǒng)體積大、重量重,、難集成等瓶頸問題,，嚴重制約了其在重大領(lǐng)域、新質(zhì)新域的發(fā)展和應用,。北京理工大學張軍院士帶領(lǐng)團隊秉承“報國擔當,，知微見著,，交叉協(xié)同，卓越創(chuàng)新”的精神,，不懈攻關(guān),，努力開拓，首創(chuàng)了片上光譜復用感知架構(gòu),，研制了國際首款百通道百萬像素高光譜實時成像器件,，光能利用率創(chuàng)造世界最高記錄。
央視報道張軍院士團隊取得智能光電成像系統(tǒng)新突破
11月7日,，國際學術(shù)期刊《自然》對該成果進行了報道,，北理工是該論文的唯一完成單位，張軍院士,、邊麗蘅教授為共同通訊作者,，博士研究生王振、碩士研究生張宇哲是文章主要完成人,。片上光學研究是信息領(lǐng)域的前沿熱點,，相關(guān)成果能夠獲得《自然》刊發(fā)，充分彰顯了北京理工大學復雜環(huán)境科學探測研究中心的原始創(chuàng)新能力,，開啟了學校信息領(lǐng)域基礎研究的新篇章,。
突破，實現(xiàn)“片上光學”重大創(chuàng)新
“科研創(chuàng)新實踐要與國家發(fā)展絲絲相扣,，要瞄準事關(guān)國家安全的重大戰(zhàn)略需求,，敢為人先，追求卓越,?！敝悄芑⑽⑿突切沦|(zhì)新域探測裝備的重要發(fā)展方向,，其核心成像感知器件屬于國家戰(zhàn)略急需,。“如何在自己的專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新突破,，應用高光譜成像技術(shù)服務國家戰(zhàn)略急需,？”邊麗蘅一直在思考著、實踐著,。
高光譜智能成像器件體積僅有礦泉水瓶蓋大小,，具有集成度高、質(zhì)量輕,、成像速度快,、成像精度高等特點
“越是急難險重的任務,，越要迎難而上,；越是國家需要,，越要有人去做?！睆?018年開始,，邊麗蘅秉持這樣的信念，開始了“片上光學”探索之路,。從光刻集成到標定重構(gòu),，從理論研究到應用實驗，團隊突破了多項瓶頸難題,，首創(chuàng)了片上光譜復用感知架構(gòu),，顛覆了傳統(tǒng)幾何分光架構(gòu)、窄帶測量機理,、物理測量輸出模式,，實現(xiàn)了片上寬帶異化調(diào)控的計算光譜成像，完成了由空白到成型的艱難歷程,，開拓了片上光譜研究新領(lǐng)域,。
科技創(chuàng)新是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素，理論創(chuàng)新為技術(shù)發(fā)明奠定了堅實基礎,。多年來,，團隊注重將原創(chuàng)性顛覆性技術(shù)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新成果，并實現(xiàn)重大場景應用,，形成新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的澎湃動能,。在實現(xiàn)理論突破的同時，團隊強化材料,、光學,、電子、計算機等多學科交叉,，打造了核心關(guān)鍵技術(shù)群,，研制了國內(nèi)首款百通道百萬像素高光譜實時成像傳感器，將光能利用率由典型的不足25%跨越提升至71.8%,，創(chuàng)造世界最高記錄,；器件僅重數(shù)十克，體積僅有礦泉水瓶蓋大小,，工作波段覆蓋了可見光和近紅外超寬波段,，具有國際領(lǐng)先的時-空-譜分辨率。相關(guān)成果獲2023年度中國電子學會技術(shù)發(fā)明一等獎,。
高光譜智能成像器件拍攝的月球表面實時光譜視頻
“你看,，這是應用我們的高光譜智能成像器件拍攝的月球表面實時光譜視頻，月表地形細節(jié)清晰,、光譜探測精準高效,，實現(xiàn)了對動態(tài)和弱光場景的高分辨率實時光譜成像,。”談到成果應用,，邊麗蘅興奮又自信,。體積小、集成度高,、質(zhì)量輕,、成像速度快、成像精度高等突出特點,，使得這枚小小的器件在國家新一代遙感重大工程,、智慧交通工程、未來新質(zhì)裝備等重大領(lǐng)域獲得應用,，并在公共安全,、智慧農(nóng)業(yè)、海洋科學,、地質(zhì)勘測等多個國家重點領(lǐng)域都具有廣泛應用前景,。
張軍院士、邊麗蘅教授與團隊學生交流
探索無人區(qū),，實現(xiàn)突破創(chuàng)新,，既需要頑強的毅力、百折不撓的精神,，更需要敏銳的洞察力和前瞻的科研視野,。對于這一成果的產(chǎn)出，邊麗蘅坦言,，“每當研究躑躅不前時,，我們都會找張軍老師一起討論。他的科研指引和篤定堅持讓我們能夠有信心走下來,，也教會了我們要把握科學規(guī)律,，從源頭探索、發(fā)現(xiàn)和解決問題,?！?/p>
卓越，培育科研領(lǐng)軍人才
“科研過程漫長且艱辛,，張老師和邊老師勇攀高峰,、追求真理的科學精神，成為了我學術(shù)道路上的燈塔,?？恐鴮焸兊闹敢c團隊協(xié)作，憑借信念和熱愛，才有了現(xiàn)在的成果,?！弊鳛橐幻T士研究生，能夠在《自然》上發(fā)表文章,，張宇哲內(nèi)心無比激動。無數(shù)個在復雜環(huán)境科學探測研究中心實驗室與各類儀器作伴的日夜,，失敗與轉(zhuǎn)機不斷重復,，失望與欣喜交織錯雜……都已成為這一成果的生動注腳。
邊麗蘅和學生在實驗室做實驗
“人才培養(yǎng)與科技創(chuàng)新是一體化的,，科研是發(fā)現(xiàn)知識,、拓展認知邊界、塑造科學思維的過程,，更是培養(yǎng)人才,、造就人才的過程?！比雽W之初與張軍老師的對話,，為張宇哲、王振的科研實踐提供了動力源泉,，也為團隊的人才培養(yǎng)提供了指引,。多年來，團隊注重發(fā)揮科研育人功能,，不斷提升人才培養(yǎng)質(zhì)量和人才原始創(chuàng)新能力,。王振在2021年剛?cè)雽W時還是一名科研的“門外漢”，但經(jīng)過三年的潛心研究,、攻堅克難,，他已經(jīng)能夠跟材料、集成電路,、計算機等不同領(lǐng)域的專家討論交流,，發(fā)現(xiàn)和解決問題，實現(xiàn)了科研能力和專業(yè)素養(yǎng)同步提升,，塑造了堅韌不拔,、不懈追求的意志品質(zhì)。
片上光譜復用感知架構(gòu)及其工作原理
“我們要做的就是給平臺裝上‘慧眼’,，給裝備裝上‘明眸’,，同時賦予機器更高維度的感知能力，事雖不易,，但做科研是最酷的事兒,。”高光譜智能成像方法的提出和樣機制備，是一個從0到1的過程,，很多時候,，團隊都是在茫茫的大海中探索。王振說,，“邊老師總是站在科研最前線,，每周甚至每天都跟我們進行高頻次深入研討，和我們擰成一股繩,，一起面對每個困難,，共同解決每一個問題”。
為者常成,，行者常至,。為了找到最合適的材料，團隊師生不斷突破自己的學術(shù)背景,，閱讀大量文獻,，測試了上幾百種材料；為了實現(xiàn)有效的芯片級光學調(diào)控,，團隊設計并實驗了多種集成架構(gòu)和制備工藝,；為了達到高精度成像和光譜重建，團隊對著數(shù)萬行代碼反復進行修改測試,，構(gòu)建并不斷優(yōu)化光學系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)的適配與效率,；為了驗證樣機性能，團隊進行上百次應用試驗,，采集了上萬組數(shù)據(jù),。
張宇哲、王振在實驗室進行反復測試
“面對科技高峰,，張老師和邊老師給了我兩把‘登山杖’,，一把是瞄準國家重大戰(zhàn)略和世界科技前沿的學術(shù)眼光，另一把是多學科交叉融合的科研方法,，在他們的支撐下我得以大步向前,。”張宇哲在碩士畢業(yè)論文致謝中寫道,。2024年7月,，張宇哲碩士畢業(yè)就職于一家人工智能龍頭企業(yè)，繼續(xù)開展前沿研究,。王振在科研道路上,，繼續(xù)追隨張軍和邊麗蘅的腳步，以興趣為導向,，以勇氣為羽翼,，立志成為“為國家科技進步做貢獻”的領(lǐng)軍人,。
托舉，造就一流人才隊伍
2018年,，邊麗蘅從清華大學博士畢業(yè),，加入張軍院士團隊。邊麗蘅在博士期間的主要研究方向是計算光學成像,，來到團隊后,，張軍鼓勵他要瞄準國家急需，結(jié)合個人的專業(yè)和興趣開展研究,?！袄硐搿r間,、協(xié)作、靈感,、機遇,，缺一不可?！边咞愞坑浽谛睦?、行在腳下，始終以“報國擔當,、卓越創(chuàng)新”為目標,，向著空白領(lǐng)域的科研高峰不斷攀登。
“探測裝備小型化,、集成化,、高性能，最早是張老師引導我做的方向,。高光譜成像目前有很多人在做,，但如何能夠做出體積小、便于攜帶,、應用廣泛的器件,，是目前研究中的難點和熱點?！边咞愞拷榻B道,。“我們團隊有著非常開放,、平等的科研氛圍,，即使在行政事務非常繁忙的情況下，張老師也會定期與我們交流討論,?！睆堒娫诳蒲蟹较蛏系倪h見卓識,、在科研工程中的悉心指導，為邊麗蘅鍥而不舍,、矢志攻關(guān)提供了方向指引和堅強保障,。
“開展顛覆性原始創(chuàng)新研究，風險未知,、成果待定,、時間漫長，不僅要著眼當下快速起步,，更要耐得住寂寞,，從基礎研究中尋找突破?！逼细吖庾V智能成像研究,，無前人經(jīng)驗可循、無成果可參考,。經(jīng)冬復立春,，6年時間里，團隊戒驕戒躁,、求真務實,，在“冷板凳”上鉆研“熱課題”，攻克了一個個關(guān)鍵核心技術(shù)難題,，實現(xiàn)了多個“國內(nèi)首創(chuàng)”,、“國際領(lǐng)先”。
張軍院士,、邊麗蘅教授與團隊學生交流
青年人才要快速成長為科研骨干,，既要有良師指引，也要有充足的資源保障,。在張軍院士團隊,，“團隊托舉，壓茬培養(yǎng)”已成為一種傳統(tǒng),。邊麗蘅剛到團隊時,，自己的科研經(jīng)費、學生數(shù)量都很有限,，團隊統(tǒng)籌資源為他蓄勢聚力,，支持他出成果出成績。如今,，邊麗蘅已成長為團隊的核心骨干,，高水平成果陸續(xù)產(chǎn)出，并成功入選國家級青年人才計劃,。積微成著,、聚沙成塔,，在這樣的培養(yǎng)模式下，團隊近三年陸續(xù)有5位青年教師入選國家級青年人才計劃,，牽頭獲得3項省部級科技一等獎,。
隨著片上光學技術(shù)的不斷發(fā)展和應用推廣，邊麗蘅將繼續(xù)深耕這一領(lǐng)域,，不斷探索新的研究方向和應用場景,。邊麗蘅的成長與發(fā)展是張軍院士團隊傾心培育一流人才的生動縮影。多年來,，團隊始終堅持“有設計,、有組織的科研”，統(tǒng)籌謀劃科研布局,，為青年人才規(guī)劃成長路徑,，精準服務國家戰(zhàn)略急需，高水平論文,、原始創(chuàng)新成果如井噴之勢持續(xù)產(chǎn)出,，打造了一支服務國家科技自立自強的高水平人才隊伍。
近年來,，北京理工大學堅持教育,、科技,、人才“三位一體”統(tǒng)籌推進,，大力實施“科學組織的治校理教”，加強前瞻性思考,、全局性謀劃,、戰(zhàn)略性布局、整體性推進,，一大批青年教師取得大成果,、實現(xiàn)大發(fā)展，為學校高質(zhì)量快速發(fā)展注入了澎湃動力,。未來,，學校將全面貫徹黨的二十屆三中全會精神和全國教育大會精神，進一步全面深化綜合改革,，暢通教育,、科技、人才的良性循環(huán),，打造國家戰(zhàn)略科技力量,，為加快推進高水平科技自立自強貢獻北理工力量。
