科技文明發(fā)展的推進器
——測控技術及儀器

供稿|侯慶文，趙小燕，劉皓挺，魏清陽，郭祥貴，張玉珍，張?zhí)靾?/p>

測控技術與儀器專業(yè)介紹

測控技術與儀器專業(yè)是高等學校本科教育階段儀器科學的惟一專業(yè)。教育部高等教育司于2012年9月正式頒布實施“普通高等學校本科專業(yè)目錄(2012)”中列出13個學科門類，如理、工、農、醫(yī)等，每個門類中包含了多個專業(yè)，其中第8學科門類為工學，包含31類專業(yè)，測控技術與儀器專業(yè)為儀器類中的惟一的本科專業(yè)，相對應的碩士、博士招生專業(yè)為一級學科儀器科學與技術，以及儀器儀表工程專業(yè)碩士。

測控技術與儀器研究信息獲取、存儲、傳輸和處理，以及對相關要素進行控制的理論與技術，是電子電路、光學、精密機械、計算機與信息技術、自動控制等多學科互相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科，是一門如何通過儀器手段感知世界，獲取信息并進行自動控制的專業(yè)，參與了科學發(fā)現(xiàn)的方方面面和人類生活的點點滴滴，培養(yǎng)從事自動檢測與控制、光機電儀器與系統(tǒng)的科學研究、應用開發(fā)、運行管理工作的工程技術人才。目前全國200余所高校開設了該專業(yè)。

測控技術與儀器主要行業(yè)應用

測控技術與儀器專業(yè)是精密機械、電子工程、計算機、自動控制、工程光學等信息技術交叉的前沿學科，專業(yè)面涉及較廣，包括機械制圖、程序語言設計、電路設計、光學系統(tǒng)設計等諸多領域，應用領域涵蓋國防安全、航空航天、生物醫(yī)學、智慧城市建設等多個方向。

國防安全

測控技術與儀器專業(yè)在國防安全現(xiàn)代化建設中扮演著核心角色。人類能看到的可見光在整體電磁波譜中只占有非常少的一部分，只有依靠先進儀器，軍隊、警察等相關從業(yè)人員才能突破人體對世界感知的限制，將各頻率段電磁波充分利用，探知周邊環(huán)境中的危險因素。北京科技大學測控技術與儀器系在電磁波各個頻段開展著與國防安全緊密相關的重要科學研究。

“赤橙黃綠青藍紫，誰持彩練當空舞”精確描述了可見光頻率由低到高的變化。因此在可見光中紅光具有最低的頻率，這也是頻率比紅光還低的電磁波被稱為紅外光的原因。另一方面，人類肉眼無法觀測的紅外線，卻是物體無時無刻不在向外界輻射的電磁波，因此能夠感知紅外線的儀器應運而生，安檢紅外攝像頭，可以在漆黑的夜晚中清晰地觀察到人員的活動；空戰(zhàn)電影中的追蹤導彈，也是由導彈攜帶的紅外線探測器來追蹤目標物的。北京科技大學測控技術與儀器系自主研發(fā)了遠距離激光夜視儀，如圖1所示，設備采用了先進的主動紅外照明技術，以軍品級別半導體激光照明器作為輔助光源，具有輻射距離遠、光斑均勻、成像清晰、使用壽命長等優(yōu)點，可用于監(jiān)控距離在3 km內的24 h實時監(jiān)控需求，配套研發(fā)的智能算法可以在全黑的夜間發(fā)現(xiàn)監(jiān)控范圍內的人員、車輛、船只等關鍵目標，協(xié)助維護邊境安全與社會治安。

圖1 北京科技大學測控技術與儀器系自主研制的主動式遠距離激光夜視儀：(a) 為夜視儀形態(tài)；(b) 為黑夜環(huán)境中的機場飛機成像；(c) 為夜晚環(huán)境下遠距離建筑物“盤古大廈”成像

除了紅外檢測設備外，北京科技大學測控技術與儀器系還搭建了用于研究太赫茲波的光譜儀，采用飛秒激光與光電導天線結合的產(chǎn)生與探測技術，逐步掀開了太赫茲(THz，1012 Hz)波的神秘面容，介于微波與紅外之間的太赫茲波同時攜帶了微波的傳播與穿透能力以及紅外的指紋吸收特性，換言之，穿透物質的太赫茲波中攜帶了該物質的專屬特性，通過太赫茲波的探測和解析，可以實現(xiàn)未知物質的檢測，這些物質包括爆炸物、毒品、危險氣體、生物病毒等，與傳統(tǒng)化學分析技術不同的是，太赫茲時域光譜技術是一種非接觸式原位探測方式，并且可以探查隱藏在衣物、包裝等遮掩物下的危險物質，對機場、車站等公共交通樞紐的安檢工作具有重要意義。在磁場利用方面，北京科技大學測控技術與儀器系科研人員研發(fā)了先進的地磁匹配導航技術，應用各向異性磁阻(AMR)傳感器，設計地磁匹配導航的高精度微型化磁電子羅盤和三軸磁強計，研制出采用磁電子羅盤與三軸磁強計組合的基于地磁場多尺度特征的地磁匹配導航算法，可在衛(wèi)星導航失效時為車輛提供關鍵導航信息。

航空航天測控

航空測控是指對航空器工作狀態(tài)進行故障診斷、預測及健康管理[1]技術的總稱。一方面，航空測控需解決傳感數(shù)據(jù)測量問題，包括發(fā)動機工作狀態(tài)監(jiān)測、航空器機翼表面溫度測量、高空天氣觀測等；另一方面，航空測控也需同時關注航空器飛行狀態(tài)的控制，包括航空器飛行速度控制、高度調節(jié)、姿態(tài)調整等。

航天測控[2]則是指完成運載火箭、航天器跟蹤測軌、遙測信號接收處理、遙控信號發(fā)送任務技術的總稱。為對各類航天器工作狀態(tài)進行監(jiān)測與控制，需采用先進的傳感技術對航天器表面與內部進行各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與分析，進而了解諸如航天器飛行姿態(tài)、運動速度、表面溫度、機構振動、材料老化、表面異常等健康狀態(tài)信息；同時，也需搭建大型地面通信設備及在軌應答系統(tǒng)，使得在軌測量數(shù)據(jù)能夠被安全準確的送至地面。

近年來，隨著各類系統(tǒng)的不斷成熟，航空航天測控技術的應用在新的領域也有了較大的發(fā)展。在測控網(wǎng)應用領域，得益于測控衛(wèi)星技術的進步，航天測控系統(tǒng)可也被用來解決定位與導航問題，如北斗衛(wèi)星導航、珠峰高度測量等；而在復雜裝置的狀態(tài)監(jiān)控領域，伴隨著各類故障診斷技術和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，復雜裝置的“健康管理”技術正在被應用于諸如船舶發(fā)動機、精密機床等的傳統(tǒng)工業(yè)領域。

生物醫(yī)學檢測

生物醫(yī)學儀器涵蓋了生物、醫(yī)學、物理、化學等多基礎學科知識，是聲、光、電、機械一體的復雜的裝置，廣泛應用于生命科學研究和醫(yī)學診斷治療，是當代生物醫(yī)學發(fā)展和突破的重要工具，扮演著越來越重要的角色。

圖2 航空航天測控系統(tǒng)示意圖

生物儀器范圍廣，例如用于分子生物學樣品提取的核酸抽提離心機，用于檢測的電泳儀、分光光度計，用于樣品保存的凍干機、超低溫冰箱，用于組織培養(yǎng)的培養(yǎng)箱等。生物儀器是生物學家的眼睛、手和腦的延伸。例如高分辨率的冷凍電鏡能夠讓科學家解析出蛋白、剪接體等近原子水平的結構，這對未來研究重大疾病機理具有重要意義。

現(xiàn)代醫(yī)學儀器誕生于19世紀末，1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，被快速應用于醫(yī)學診斷，開創(chuàng)了人體影像診斷的先河；1903年荷蘭物理學家艾薩文研制成功了第一臺心電圖儀；1924年法國學者Berger首次測出腦電圖；1958年醫(yī)用超聲診斷儀出現(xiàn)，并很快在臨床普及，以及后來計算機斷層成像(CT)、正電子發(fā)射斷層成像(PET)、核磁共振成像(MRI)、等大型醫(yī)學影像設備的普及應用，不用剖開人體就可以獲得人體的三維組織結構信息以及代謝功能信息，讓我們看清楚“敵人”，做到知己知彼?；陔娮邮?、X射線、伽馬射線的腫瘤治療設備讓放射治療成為了腫瘤治療的三大手段之一；近年來質子/重離子治療、硼中子治療等超大型醫(yī)療設備成為了熱點，它們能夠更加精準的消滅腫瘤。更令人欣慰的是我國已很好地實現(xiàn)了上述大部分高端醫(yī)療設備的國產(chǎn)化，如圖3為上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司相關產(chǎn)品。

圖3 上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司相關產(chǎn)品

現(xiàn)代生物醫(yī)學儀器已廣泛應用于診斷、治療、輔助康復和生命科學研究，保障了人類的健康，極大地造福了人類。隨著世界人口老齡化、人均壽命延長、經(jīng)濟發(fā)展，未來對醫(yī)療儀器需求仍將處于上升趨勢。

智慧城市

想象這樣的場景：具有智能門禁、業(yè)主自動認證、智慧停車等功能的智慧社區(qū)；可以根據(jù)環(huán)境和人流自動調節(jié)開關和明暗、為汽車充電和充當網(wǎng)絡熱點的智能路燈；集一鍵呼叫、廁位感應、環(huán)境監(jiān)測、人流量檢測、智能聯(lián)動殺菌、自動門鎖等功能的智慧公廁；自動感應垃圾存量、無接觸扔垃圾、自動開閉蓋子的智能垃圾桶……這樣的應用場景在日常生活中已經(jīng)越來越普遍，智慧城市正在變?yōu)楝F(xiàn)實。智慧城市通過互聯(lián)網(wǎng)把城市中無處不在的智能傳感器連接起來以實現(xiàn)對現(xiàn)實城市的全面感知，從而賦予城市更多的智慧，積極服務于城市的建設、社會公民的生活和智能空間人居體驗的創(chuàng)新服務，實現(xiàn)如圖4中的智慧交通、智慧金融、智慧醫(yī)療、智慧能源、智慧城管、智慧市政、智慧建筑、智慧物流、智慧政府、智慧安防等城市生活的方方面面，以完善城市功能，提升城市品質，優(yōu)化城市生態(tài)，增進民生福祉，達到讓城市生活更便捷、環(huán)境更宜居的目的。

圖4 智慧城市體系架構

智慧城市的發(fā)展過程中，交通起著基礎性和先導性作用。通過智能交通信號的處理來去達成智慧交通。智慧交通的核心在于車聯(lián)網(wǎng)，而無人駕駛、自動駕駛可以說是車聯(lián)網(wǎng)進化的終極形態(tài)。車聯(lián)網(wǎng)即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是利用智能傳感技術感知行駛中的車輛的狀態(tài)信息，借助新一代信息通信技術，實現(xiàn)車與車內、車與車、車與人、路和服務平臺之間的網(wǎng)絡連接，提升車輛整體的智能駕駛水平。車聯(lián)網(wǎng)能夠為車與車之間的間距提供保障，降低車輛發(fā)生碰撞的幾率；車聯(lián)網(wǎng)可以幫助車主實時導航，并通過與其他車輛和網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信，提高交通運行的效率。有了強大的通訊能力，遠程駕駛甚至是自動駕駛就變成了可能。作為車聯(lián)網(wǎng)進化的終極形態(tài)，無人駕駛和自動駕駛近幾年來呈現(xiàn)出接近實用化的趨勢。無人駕駛和自動駕駛車輛是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多層級執(zhí)行輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。其中，智能感知系統(tǒng)對于自動駕駛技術至關重要，它就相當于自動駕駛汽車的五官和大腦，是自動駕駛車輛自主行駛和自主執(zhí)行任務的前提。相對于人工駕駛汽車而言，自動駕駛汽車不僅能夠降低交通事故、擁堵壓力和人力成本，減少汽車有害氣體排放和能源消耗，而且能夠滿足如殘障人士、孕婦、老年人等特殊乘客的出行需求。

遙感探測

遙感即為“遙遠的感知”，是不與探測目標直接接觸，利用探測儀器從遠處獲取目標的電磁波特性，通過信息的處理和分析，揭示出物體的特征特性及其變化的科學及綜合性探測技術[3]。傳感器是遙感技術系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關鍵設備，目前搭載在不同遙感平臺(如地面觀測架、低空無人機和衛(wèi)星等)的傳感器包括光學傳感器、微波傳感器和激光雷達傳感器，其工作波段已經(jīng)涵蓋了可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外和微波波段。

我們對不同遙感器獲取的電磁波信息進行加工處理，能夠有效服務于關乎國計民生的農業(yè)、能源資源、生態(tài)環(huán)境、健康等多個領域。比如1987年黑龍江省大興安嶺森林特大火災中，紅外遙感準確確定火源位置、范圍以及火源蔓延趨勢，為破滅大火提供及時準確的火情信息。此外，利用不同時間或在不同條件下獲取的遙感圖像，還可以識別和量化地表類型的變化、空間分布狀況和變化量(如城市化、海岸線變化、水體監(jiān)測等)。在全球環(huán)境變化備受關注的今天，海量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與云平臺、機器學習等現(xiàn)代技術相結合用于遙感參量產(chǎn)品的反演過程中，生成各種地球物理化學參數(shù)服務于相關行業(yè)的應用。

工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)企業(yè)追求精準和高效，對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和準確控制是必不可少的，如何運用各種技術與工具延伸對信息撿取、處理、控制和操縱的能力，使生產(chǎn)的產(chǎn)品質量穩(wěn)定、可靠，成品率高，是生產(chǎn)過程自動化的追求，如數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線、機器人裝配加工線中定位、轉速、扭矩等參數(shù)的測量是否準確直接影響加工產(chǎn)品的精度。各種產(chǎn)品質量的檢測是保障產(chǎn)品質量的關鍵，很多企業(yè)都研制了適合本企業(yè)產(chǎn)品的自動檢測設備，例如在圖5的高溫高壓高粉塵密閉環(huán)境高爐中，為了“看到”料面的位置和形狀，科研人員研究生產(chǎn)了從機械探尺、雷達探尺、紅外成像[4]、擺動雷達[5]，到微波多場參數(shù)測量儀的多種檢測設備，應用了微波與電磁場、信息技術、圖像處理、深度學習等多學科知識，為一線生產(chǎn)解決技術難題。

北京科技大學測控技術與儀器

圖5 多場參數(shù)測量儀應用于高爐生產(chǎn)

北京科技大學具有“儀器科學與技術”一級學科博士學位授予權，本科專業(yè)于2017年通過工程教育專業(yè)認證，合格畢業(yè)生取得儀器儀表專業(yè)見習工程師資格。依托北京市工業(yè)波譜成像工程技術研究中心，以電磁波譜為主要的信息獲取途徑，定位于信息獲取的理論及物化技術，實現(xiàn)信息的智能感知，專業(yè)開展先進傳感、工業(yè)微波、太赫茲波譜、高光譜遙感、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)、定位與導航、自動駕駛等研究，承擔國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項、企業(yè)攻關等研究項目。

專業(yè)主要設置電子電路、微機原理、程序設計、自動檢測、參數(shù)測量、計算機網(wǎng)絡、信號處理、控制理論及控制系統(tǒng)、可編程控制器、單片機、智能儀器等40余門課程。在校學生是我校參加全國大學生機器人大賽、全國大學生“飛思卡爾”杯智能車等競賽的主力隊員，獲得多項全國及國際賽冠軍。

學生本科畢業(yè)后，大部分在國內外繼續(xù)深造，除本校外，還有進入清華大學、北京大學、中國科學院大學、浙江大學、東南大學、香港大學等校學習。國外大學有美國卡內基梅隆大學、加州伯克利大學、澳大利亞墨爾本大學、悉尼大學，英國布里斯托大學、謝菲爾德大學，德國慕尼黑工業(yè)大學，日本東京大學、大阪大學、法國奧爾良工程師學院等。主要就業(yè)單位包括中國航天科技集團、中國航空工業(yè)集團、中國船舶、中軟國際、?？低暋⑹灼瘓F、比亞迪、漢能控股公司等。

結束語

從水銀溫度計的接觸式測溫到今年疫情期間遍布街巷入口的非接觸AI智能測溫，從傳統(tǒng)帶著長長線纜的各種測量儀表到無線傳感網(wǎng)絡，從醫(yī)院排隊門診看醫(yī)生到遠程醫(yī)療，測控技術與儀器隨著智能感知技術、無線通訊技術等新技術的發(fā)展，正順應時代的趨勢，朝著微型化、智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，在國防安全、智能制造以及人們的日常生活中扮演更重要的角色。