创世界记录！“火眼金睛”探测复杂世界的光谱密码
发布日期：2024-11-08 供稿：党委宣传部 刘晓俏、臧瑞楠 摄影：郭强
编辑：吴楠 审核：蔺伟 阅读次数：
北理工张军院士领衔的科研团队秉承“报国担当，知微见著，交叉协同，卓越创新”的精神，在科技报国之路上勤耕不辍，6年甘坐“冷板凳”，潜心钻研“热课题”，聚焦片上光学研究新领域，攻克一个个关键核心技术难题。小小器件发挥大大作用，用光探测复杂世界，性能指标国际领先，相关成果被《Nature》报道。
创新突破，开辟片上光学研究新领域
高光谱成像技术是一种能够同时获取目标空间几何信息和多波段光谱信息的光学探测技术，在卫星遥感、深空探测、新质装备等领域具有重大应用。然而，现有高光谱成像技术存在系统体积大、重量重、难集成等瓶颈问题，严重制约了其在重大领域、新质新域的发展和应用。北京理工大学张军院士带领团队秉承“报国担当，知微见著，交叉协同，卓越创新”的精神，不懈攻关，努力开拓，首创了片上光谱复用感知架构，研制了国际首款百通道百万像素高光谱实时成像器件，光能利用率创造世界最高记录。
央视报道张军院士团队取得智能光电成像系统新突破
11月7日，国际学术期刊《自然》对该成果进行了报道，北理工是该论文的唯一完成单位，张军院士、边丽蘅教授为共同通讯作者，博士研究生王振、硕士研究生张宇哲是文章主要完成人。片上光学研究是信息领域的前沿热点，相关成果能够获得《自然》刊发，充分彰显了北京理工大学复杂环境科学探测研究中心的原始创新能力，开启了学校信息领域基础研究的新篇章。
突破，实现“片上光学”重大创新
“科研创新实践要与国家发展丝丝相扣，要瞄准事关国家安全的重大战略需求，敢为人先，追求卓越。”智能化、微型化是新质新域探测装备的重要发展方向，其核心成像感知器件属于国家战略急需。“如何在自己的专业领域创新突破，应用高光谱成像技术服务国家战略急需？”边丽蘅一直在思考着、实践着。
高光谱智能成像器件体积仅有矿泉水瓶盖大小，具有集成度高、质量轻、成像速度快、成像精度高等特点
“越是急难险重的任务，越要迎难而上；越是国家需要，越要有人去做。”从2018年开始，边丽蘅秉持这样的信念，开始了“片上光学”探索之路。从光刻集成到标定重构，从理论研究到应用实验，团队突破了多项瓶颈难题，首创了片上光谱复用感知架构，颠覆了传统几何分光架构、窄带测量机理、物理测量输出模式，实现了片上宽带异化调控的计算光谱成像，完成了由空白到成型的艰难历程，开拓了片上光谱研究新领域。
科技创新是发展新质生产力的核心要素，理论创新为技术发明奠定了坚实基础。多年来，团队注重将原创性颠覆性技术转化为创新成果，并实现重大场景应用，形成新质生产力发展的澎湃动能。在实现理论突破的同时，团队强化材料、光学、电子、计算机等多学科交叉，打造了核心关键技术群，研制了国内首款百通道百万像素高光谱实时成像传感器，将光能利用率由典型的不足25%跨越提升至71.8%，创造世界最高记录；器件仅重数十克，体积仅有矿泉水瓶盖大小，工作波段覆盖了可见光和近红外超宽波段，具有国际领先的时-空-谱分辨率。相关成果获2023年度中国电子学会技术发明一等奖。
高光谱智能成像器件拍摄的月球表面实时光谱视频
“你看，这是应用我们的高光谱智能成像器件拍摄的月球表面实时光谱视频，月表地形细节清晰、光谱探测精准高效，实现了对动态和弱光场景的高分辨率实时光谱成像。”谈到成果应用，边丽蘅兴奋又自信。体积小、集成度高、质量轻、成像速度快、成像精度高等突出特点，使得这枚小小的器件在国家新一代遥感重大工程、智慧交通工程、未来新质装备等重大领域获得应用，并在公共安全、智慧农业、海洋科学、地质勘测等多个国家重点领域都具有广泛应用前景。
张军院士、边丽蘅教授与团队学生交流
探索无人区，实现突破创新，既需要顽强的毅力、百折不挠的精神，更需要敏锐的洞察力和前瞻的科研视野。对于这一成果的产出，边丽蘅坦言，“每当研究踯躅不前时，我们都会找张军老师一起讨论。他的科研指引和笃定坚持让我们能够有信心走下来，也教会了我们要把握科学规律，从源头探索、发现和解决问题。”
卓越，培育科研领军人才
“科研过程漫长且艰辛，张老师和边老师勇攀高峰、追求真理的科学精神，成为了我学术道路上的灯塔。靠着导师们的指引与团队协作，凭借信念和热爱，才有了现在的成果。”作为一名硕士研究生，能够在《自然》上发表文章，张宇哲内心无比激动。无数个在复杂环境科学探测研究中心实验室与各类仪器作伴的日夜，失败与转机不断重复，失望与欣喜交织错杂……都已成为这一成果的生动注脚。
边丽蘅和学生在实验室做实验
“人才培养与科技创新是一体化的，科研是发现知识、拓展认知边界、塑造科学思维的过程，更是培养人才、造就人才的过程。”入学之初与张军老师的对话，为张宇哲、王振的科研实践提供了动力源泉，也为团队的人才培养提供了指引。多年来，团队注重发挥科研育人功能，不断提升人才培养质量和人才原始创新能力。王振在2021年刚入学时还是一名科研的“门外汉”，但经过三年的潜心研究、攻坚克难，他已经能够跟材料、集成电路、计算机等不同领域的专家讨论交流，发现和解决问题，实现了科研能力和专业素养同步提升，塑造了坚韧不拔、不懈追求的意志品质。
片上光谱复用感知架构及其工作原理
“我们要做的就是给平台装上‘慧眼’，给装备装上‘明眸’，同时赋予机器更高维度的感知能力，事虽不易，但做科研是最酷的事儿。”高光谱智能成像方法的提出和样机制备，是一个从0到1的过程，很多时候，团队都是在茫茫的大海中探索。王振说，“边老师总是站在科研最前线，每周甚至每天都跟我们进行高频次深入研讨，和我们拧成一股绳，一起面对每个困难，共同解决每一个问题”。
为者常成，行者常至。为了找到最合适的材料，团队师生不断突破自己的学术背景，阅读大量文献，测试了上几百种材料；为了实现有效的芯片级光学调控，团队设计并实验了多种集成架构和制备工艺；为了达到高精度成像和光谱重建，团队对着数万行代码反复进行修改测试，构建并不断优化光学系统与硬件结构的适配与效率；为了验证样机性能，团队进行上百次应用试验，采集了上万组数据。
张宇哲、王振在实验室进行反复测试
“面对科技高峰，张老师和边老师给了我两把‘登山杖’，一把是瞄准国家重大战略和世界科技前沿的学术眼光，另一把是多学科交叉融合的科研方法，在他们的支撑下我得以大步向前。”张宇哲在硕士毕业论文致谢中写道。2024年7月，张宇哲硕士毕业就职于一家人工智能龙头企业，继续开展前沿研究。王振在科研道路上，继续追随张军和边丽蘅的脚步，以兴趣为导向，以勇气为羽翼，立志成为“为国家科技进步做贡献”的领军人。
托举，造就一流人才队伍
2018年，边丽蘅从清华大学博士毕业，加入张军院士团队。边丽蘅在博士期间的主要研究方向是计算光学成像，来到团队后，张军鼓励他要瞄准国家急需，结合个人的专业和兴趣开展研究。“理想、时间、协作、灵感、机遇，缺一不可。”边丽蘅记在心里、行在脚下，始终以“报国担当、卓越创新”为目标，向着空白领域的科研高峰不断攀登。
“探测装备小型化、集成化、高性能，最早是张老师引导我做的方向。高光谱成像目前有很多人在做，但如何能够做出体积小、便于携带、应用广泛的器件，是目前研究中的难点和热点。”边丽蘅介绍道。“我们团队有着非常开放、平等的科研氛围，即使在行政事务非常繁忙的情况下，张老师也会定期与我们交流讨论。”张军在科研方向上的远见卓识、在科研工程中的悉心指导，为边丽蘅锲而不舍、矢志攻关提供了方向指引和坚强保障。
“开展颠覆性原始创新研究，风险未知、成果待定、时间漫长，不仅要着眼当下快速起步，更要耐得住寂寞，从基础研究中寻找突破。”片上高光谱智能成像研究，无前人经验可循、无成果可参考。经冬复立春，6年时间里，团队戒骄戒躁、求真务实，在“冷板凳”上钻研“热课题”，攻克了一个个关键核心技术难题，实现了多个“国内首创”、“国际领先”。
张军院士、边丽蘅教授与团队学生交流
青年人才要快速成长为科研骨干，既要有良师指引，也要有充足的资源保障。在张军院士团队，“团队托举，压茬培养”已成为一种传统。边丽蘅刚到团队时，自己的科研经费、学生数量都很有限，团队统筹资源为他蓄势聚力，支持他出成果出成绩。如今，边丽蘅已成长为团队的核心骨干，高水平成果陆续产出，并成功入选国家级青年人才计划。积微成著、聚沙成塔，在这样的培养模式下，团队近三年陆续有5位青年教师入选国家级青年人才计划，牵头获得3项省部级科技一等奖。
随着片上光学技术的不断发展和应用推广，边丽蘅将继续深耕这一领域，不断探索新的研究方向和应用场景。边丽蘅的成长与发展是张军院士团队倾心培育一流人才的生动缩影。多年来，团队始终坚持“有设计、有组织的科研”，统筹谋划科研布局，为青年人才规划成长路径，精准服务国家战略急需，高水平论文、原始创新成果如井喷之势持续产出，打造了一支服务国家科技自立自强的高水平人才队伍。
近年来，北京理工大学坚持教育、科技、人才“三位一体”统筹推进，大力实施“科学组织的治校理教”，加强前瞻性思考、全局性谋划、战略性布局、整体性推进，一大批青年教师取得大成果、实现大发展，为学校高质量快速发展注入了澎湃动力。未来，学校将全面贯彻党的二十届三中全会精神和全国教育大会精神，进一步全面深化综合改革，畅通教育、科技、人才的良性循环，打造国家战略科技力量，为加快推进高水平科技自立自强贡献北理工力量。
