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创新光谱成像技术 倾力推动行业应用

发布时间:2024-03-22
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——记中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术研究室李思远主任

2500多年前,中国著名思想家墨子发现了小孔成倒像的奥秘;500多年前,意大利物理学家卡尔达诺发明光学暗箱;200多年前,达盖尔银版摄影术出现,这些都是人类对获取图像信息的不断追求与探索。现在,光谱成像技术的出现,融合了光谱探测与成像技术于一体,可同时获得目标的几何图像和光谱特征,实现对目标特征的综合探测与识别,涉及光学、光谱学、精密机械、电子学、计算机信号处理、模式识别和人工智能等技术,被誉为光学仪器发展史上的一次飞跃。

中国科学院西安光学精密机械研究所自上世纪80年代中期开展基于迈克尔逊干涉仪的光谱成像技术研究工作以来,90年代初科研成果已达到国际前沿水平,至今光成像技术已发展为西安光机所的特色学科,在干涉光谱成像技术领域处于国际领先地位。作为西安光机所正高级工程师,李思远主任近五年来作为项目负责人或主要负责人之一,先后承担并圆满完成两个国家重大航天工程载荷研制任务,牵头攻克多项干涉光谱成像关键技术,取得了多项创新成果,得到总体单位及用户一致好评。

作为高光谱成像技术团队牵头人,李思远积极牵头布局片上光谱成像技术、量子点光谱成像、压缩编码、消零干涉等多种光谱成像技术的创新研究,探索光谱成像技术的新机理和新途径,受到国内外同行的广泛关注。他同时积极推动高光谱成像技术的推广应用,先后牵头组建陕西省光谱成像工程中心、陕西省光学遥感与智能信息处理重点实验室、西安市生物医学光谱重点实验室、西安书画艺术品光谱技术实验室等研究平台,打造了“产、学、研、用”一体的科研发展体系,为我国高光谱成像技术的发展做出了卓越的贡献。

创新成像技术行业应用广泛

高光谱成像技术由于能同时对地物目标的二维空间信息和一维光谱信息进行提取,上世纪90年代开始,迅速受到国内外学者的广泛关注。相对于世界遥感先进国家,近年来,我国光学遥感载荷的技术发展较快,部分航天光学遥感载荷的指标已接近或达到国际先进水平,但整体上还是与国外有所差距。

西安光机所高光谱成像技术团队是我国光谱成像技术研究领域具有代表性和领先地位的研究团体,团队在几代人的共同努力下,紧扣国家重大需求和发展重点,面向国际科技前沿,围绕国家“十一五规划”至“十四五规划”,深挖干涉型高光谱成像技术潜力,将高光谱仪从可见谱段扩展到中长波红外波段,实现全谱段高光谱分辨率产品化;积极推动高光谱成像学科前沿研究,推动片上光谱成像技术、压缩编码光谱成像技术、量子点光谱成像技术、消零干涉技术等新型光谱成像技术的理论研究与工程化研制;拓宽高光谱成像在文物保护与研究、环境大气污染探测、多类水体水质监测、以及生物医学病理诊断等方面的应用,打造了一支国际领先的光谱仪器研制团队,相关研究技术水平已处于国际领先地位。

近年来,西安光机所高光谱成像技术团队先后承担并圆满完成了GF-14卫星高光谱相机、HJ-2高光谱成像载荷等多个国家重大航天工程载荷研制任务,还针对高光谱成像技术小型化的应用需求,开发了小型高光谱成像仪APHIS,易于实现大相对孔径、能量足、信噪比高;易于实现小型化、结构紧凑、体积小、质量轻;谱线弯曲小、色畸变小等,由于结构形式简单,现已完成小批量生产,在当前国外同类产品禁限购的大环境下,APHIS系列产品的完全国产化小批量研制成功将打破国外企业垄断优势。

针对水污染问题中,传统水质监测系统存在监测频次低、误差大、数据分散、不能快速准确的反映污染状况等缺陷,西安光机所高光谱成像技术于涛研究员牵头研发了基于光谱传感的水质在线检测技术由于无污染、监测频次高、误差小,迅速受到市场关注。研制了实验室原理样机,并对核心关键技术:微型宽光谱分析模块、全光谱分析预测模型、自适应定标技术等进行了具有独创和原创的技术储备,掌握了核心技术。针对我国文物保护的问题,西安光机所高光谱成像技术团队张朋昌博士牵头开展了高光谱技术在文物考古、壁画修复、书画鉴定等三方面的研究,建立了唐墓壁画光谱采集系统与颜料光谱数据库,研制文物高分辨率图像扫描仪、中国字画书画光谱鉴定系统,以高光谱技术为核心、提供宽谱段、高分辨率的光谱信息采集功能,同时,通过专门化开发,给硬件系统匹配文物保护专业的数据库和软件系统,使其真正具备无损、智能、高效、专业的文保功能。相关产品已应用于陕西文化投资集团和陕西历史博博物馆、三星堆文物保护单位,相关产品于2020年广交会期间接受了CCTV13  等相关媒体报道。

服务地方经济助力产业升级

光谱仪的研制,需要光电技术与其它科学技术在应用中相互渗透和创新,是一个集电子、光学、机械、材料等产业成果于一体的载体,可服务于农业、工业、食品安全、刑侦安防、医药等各个产业领域。因此光谱仪的研发不仅能带动制造业的发展,还可以促进电子元器件制造业、电子信息、光电子等高新技术产业的繁荣发展。光谱仪以其功能丰富、高效益的优势,逐渐形成“以点带面”的行业发展新模式,间接推动相关产业发展,促进社会生产力的快速增长。

目前,西安光机所高光谱成像技术团队成员武琪敬牵头组建了西安中科英特光谱科技有限公司,专业从事各类高光谱仪器设备的研制与研发、仪器定标、高光谱数据采集及技术推广应用等工作。其光谱成像产品与精细光谱探测技广泛应用于安防、医疗、石油、科研、考古、环保、大气气象、环境监测及食品安全等领域。

迄今,公司拥有核心专利 5项、软著 6  项,获得“国家高新技术企业”“iso质量管理体系认证”“知识产权认证企业”“陕西省民营科技企业”等荣誉,同时公司作为“陕西省光谱成像工程中心(科技厅)”和“陕西省光谱成像工程技术中心(发改委)”的共建方,在技术储备、依托和转化方面具有独特的优势。

随着相关产品经公司快速转化,开拓国内市场,解决民生问题,提升陕西省光学成像行业的整体技术水平。并依托西安“一带一路”国家发展战略和国际物流港的定位,通过整合科研资源,提升创新能力,拓展光谱仪产品的市场,做大产品规模,形成经济增长点,为陕西省经济和社会的发展做出了重要贡献。

李思远表示,未来将开展的相关研究覆盖高光谱数据从获取到应用各个环节的重要问题,紧扣当前国家发展重大需求,通过深挖干涉光谱成像技术潜力和推动片上光谱成像技术、压缩编码光谱成像技术、量子点光谱成像技术等多种新型光谱成像技术发展,能够有效解决我国在不同应用环境甚至极端应用环境下进行科学研究、国防建设、资源开发等方面面临的信息获取难题,实现全天时全天候的光学目标信息获取,并实现光学遥感载荷设备由“看得见”“看清清”向“看得懂”的跨越式发展。针对光学遥感仪器定标与数据定量化技术开展的研究,将解决目前高光谱遥感数据应用效能受限于遥感器辐射溯源难、精度差、衰减变化大,以及多遥感器辐射一致性差等问题。

在民用领域,他们通过新型光谱成像技术的深入研究,将有效打破光谱成像市场国外垄断的局面,开拓国内市场,解决民生问题,提升我国光学成像行业的整体技术水平。充分利用“一带一路”的发展机遇,以市场为导向,以光谱成像类仪器为主线,重点突破仪器低成本、高性能、高可靠性、小型化等难题,内聚外联,走上产学研相结合的良性循环发展道路。

“追光之路道阻且长,不惧困难迎难而上”,面对未来前路漫漫,李思远将和团队不断开拓创新,在“追光”的道路上,突破光谱成像技术的极限,带来更多先进科研成果,并服务于行业应用,取得更大社会和经济效益。



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