创新是社会进步的灵魂,青年富有想象力和创造力,是创新的有生力量。习总书记指出:“中国要强,中国人民生活要好,必须有强大科技”、“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”、“谁牵住了科技创新这个牛鼻子,谁走好了科技创新这步先手棋,谁就能占领先机、赢得优势”。
“建国初期,一块光学玻璃我国都难以独立生产,王大珩院士在一穷二白的大背景下,克服重重困难,成功研制“八大件一个汤”,奠定了我国国产光学仪器的基础,他身上的爱国奋斗精神永远是激励我前进的灯塔,我将继承和发扬王大珩院士这种精神,在光学仪器研究的科学道路上不断努力前行。”这是一位青年在荣获中国光学最高荣誉之一的“王大珩光学奖”,参观王大珩故居后发出的感慨。这个腼腆内秀的男孩名叫程阳,是北京理工大学光电学院仪器科学与技术专业一名助理研究员。
勤学苦干,十年漫漫科研路
美国著名作家格拉德威尔曾经说过:只要经过1万小时的锤炼,任何人都能从平凡变成超凡。对于自己的科研道路,程阳博士这样说到:“世上无难事,只怕有心人。通过这么多年的科研锻炼,获得的不仅仅是科研成果,更重要的是培养了自己的思维方式,解决问题的能力,在面对难题时,能够进行独立思考,冷静思维,认真的分析原因并找到关键点和突破口,这个很重要。我不后悔选择科研这条道路,希望今后为国家的科研事业贡献自己的微薄力量”。对于科研创新的体会,他总结到:“创新点通常来源于事物的矛盾性,如何解决这个矛盾,需要阅读大量文献了解事物本质。不仅需要阅读本学科文献,还需要阅读本学科外文献,可能其他学科的知识可以解决本领域的矛盾。阅读文献需要采用精读和泛读结合的方式,研究方向的经典著作需要精读,泛读可扩大视野,同时还需要关注对文献的管理。”
程阳博士至今已发表学术论文40余篇,其中SCI论文25篇,总影响因子84.082,申请国家发明专利20项,其中授权13项,主持国家自然科学基金青年项目1项,参与国防基础科研重点项目、国家自然科学基金项目重点项目和面上项目等多个项目。博士学位论文获得2020年全国仪器科学与技术学科优秀博士论文,获得中国光学领域最高荣誉之一的“王大珩光学奖”, 教育部高等学校仪器类专业教学指导委员会“叶声华奖学金”,两次获得工信部创新二等奖学金,北京理工大学最高荣誉“徐特立奖学金”,北京市优秀毕业生荣誉称号,两次研究生国家奖学金,中国仪器仪表学会“唐辉电子”二等奖学金。
砥砺前行,科研创新图报国
“目前中国的仪器还处于比较落后的状态,高端电子测量仪器市场长期被国外把持。”受到老师的启发和激励,程阳立志从事我国仪器研究事业,师从北京理工大学光电学院郝群教授。郝群教授长期在新型光电成像传感技术和光电精密测试技术领域从事教学和科研工作,深耕新型光电成像技术以及仿生光电感测技术多年,具有非常好的学术基础,承担了多项国家级项目,包括国家自然科学基金仪器专项/面上项目、国防基础科研重大/重点项目、国家863项目等。
仿生成像是光学领域的前沿领域,现实中人们解决不了的问题,常常可以在大自然中获得灵感。于是,程阳博士选择进入到了仿生成像领域。光电成像是获取和感知外界信息的重要途径,人类获得信息的70%以上来自于视觉。成像系统广泛应用于工业、医疗、航天和军事等领域,随着应用领域的不断延伸及扩展,人们对其性能要求也在不断提高,而目前成像系统存在以下两方面的技术瓶颈:(1)大视场难以获取、高分辨和实时性难以同时实现。在视场方面,大视场的二维成像系统通常借助鱼眼镜头,然而存着体积大和畸变严重的缺点;大视场非扫描式三维成像系统通常采用多透镜组成的光学系统,口径和重量比较大。在分辨率和实时性方面,二维成像系统依赖大面阵图像传感器获得高分辨率,成像速度较慢;非扫描式三维成像系统虽然成像速度较快,然而需要大面阵APD探测器阵列获得高分辨率,国外对我国实行严格技术封锁和禁运,目前难以获取。(2)脉冲激光回波信号的信噪比有待提高且易受外界环境的影响。一方面,由于受到噪声影响,限制了脉冲激光回波信号信噪比的进一步提升;另一方面,脉冲激光回波信号与被测目标形状和大气湍流等外界因素相关。
为此,程阳博士所在的郝群教授课题组通过借助人眼视网膜感光细胞的非均匀分布特点,提出了仿人眼的光学成像方法,该方法可以对感兴趣的目标高分辨率成像,而对不感兴趣目标低分辨率成像,压缩了冗余信息。复眼独特的曲面分布结构使其具有大视场成像特点。人眼视网膜锥细胞具有非均匀分布特点,使得在高分辨率观察目标的同时压缩边缘视场目标信息。复眼和人眼都是大自然经过亿万年进化后的两套优良的光学成像系统,各自具有各自的优点。复眼通常呈现出半球形或椭圆形,它由若干个小眼组成,最大的一个优点是成像视场比较大,绝大多数的复眼成像视场可达180°～360°。人眼虽然没有复眼的视场大,但是人眼视网膜视皮层和视网膜在二维空间上存在非均匀的映射关系,而且视网膜上的光感受器分布也是非均匀的,这种非均匀分布特点使得人眼在对感兴趣目标保持高分辨成像的同时又能够对视场其他部分保持警戒状态,能够最大程度地获取感兴趣目标的信息,压缩不感兴趣的冗余信息,提高图像获取和处理速度,为解决成像高分辨率和实时性之间的矛盾提供一条有效解决途径。通过将两者相结合,为解决大视场难以获取、高分辨和实时性难以同时实现的矛盾性问题提供一条解决途径。
程阳博士通过借助复眼和人眼的各自成像优势,分别设计了用于二维和三维成像的基于复眼和人眼的复合仿生成像系统。二维成像方面,程阳博士开展了非均匀曲面微透镜阵列模型设计研究,构建了光学信息损失率数学模型,同时提出了采用液体透镜改善离轴像差。三维成像方面,他提出了非均匀曲面微透镜阵列的复合仿生接收光学系统,建立了脉冲激光回波信号数学模型并对系统信噪比分析。另外,为了提高脉冲激光回波信号的信噪比,提出了基于光路差分的全波形脉冲激光回波信号去噪方法,程阳博士同时采用解析法和数值法分别建立了任意形状目标在不同大气湍流下的脉冲激光回波信号数学模型。研制的仿生成像系统获得第二届国际仿生创新比赛三等奖,在国际重要SCI期刊Bioinspiration & Biomimetics上发表仿生复眼成像系统综述论文“Review of state-of-art artificial compound eye imaging systems”,被评为featured article,下载量超5100次。在国际光学重要SCI期刊Applied Optics的论文“Reducing defocus aberration of compound and human hybrid eye using liquid lens”,并评为2018年度光学设计与加工领域的最高下载量论文。
这些技术难点的突破可服务于军事和民用领域等目标跟踪和识别等重大战略需求,可在大视场成像的同时,兼顾高分辨率和实时性的要求,将直接促进经济社会发展,产生重要影响。
“青春是用来奋斗的,奋斗本身就是一种幸福”。程阳博士不忘初心,不负韶华,脚踏实地,坚定理想信念,刻苦勤奋地投入科学研究事业中,他将个人梦与中国梦紧密结合,不断为实现自己的人生目标、为中华民族伟大复兴的中国梦而努力奋斗!
