立報(bào)國之志 展巾幗風(fēng)采

李剛

一頭烏黑微卷的長發(fā)，略有些單薄的身形，還有清秀的臉龐上戴著一副黑框眼鏡，這是北京理工大學(xué)副教授王霞給人的第一眼印象，文靜、溫和、秀麗。然而，只有真正熟悉她的人才知道，這個(gè)能夠在光電成像與光電檢測領(lǐng)域苦研多年，并取得一系列成就的科研女子，并非表面看上去的那么嬌柔。事實(shí)上，出生于中國甘肅的她，骨子里一直透露著一份超乎常人的堅(jiān)毅和韌性，是一個(gè)不折不扣的“鐵娘子”。

“鐵娘子”的成長之路

甘肅，位于中國西部，是古代所謂的邊塞之地。這里有荒蕪廣闊的戈壁、黃沙綿延的沙漠，以及蜿蜒壯闊的河道。鮮明的地理環(huán)境養(yǎng)成了此地人堅(jiān)毅而又韌勁十足的個(gè)性。在這種環(huán)境的熏陶下，從小生于此，長于此的王霞也明顯地養(yǎng)成了這樣的性格特點(diǎn)。

堅(jiān)韌的性格是王霞的一大特點(diǎn)，除此之外，強(qiáng)烈的愛國主義也是她給人印象最深刻的地方之一。據(jù)出生于20世紀(jì)70年代的她回憶，在幾十年的成長過程中，她親身經(jīng)歷了中國在工業(yè)、科技等眾多領(lǐng)域由落后到先進(jìn)的飛躍式發(fā)展，時(shí)代的變化使得她養(yǎng)成了希望通過個(gè)人努力為建設(shè)國家作貢獻(xiàn)的愿望。在這一愿望及堅(jiān)韌性格的陪伴下，王霞一路由中學(xué)走入了中國礦業(yè)大學(xué)，進(jìn)行電力電子與電力傳動(dòng)方向的學(xué)習(xí)，研發(fā)與礦井安全相關(guān)的檢測及控制系統(tǒng)?！澳菚r(shí)尚是20世紀(jì)90年代初期，國家還不流行大規(guī)模從國外進(jìn)口相關(guān)設(shè)備，因此我們的研發(fā)內(nèi)容有助于緩解國家安全生產(chǎn)的壓力，相當(dāng)于在一定程度上為國家工業(yè)作貢獻(xiàn)?！碑?dāng)時(shí)，王霞一想到自己的研究工作能夠?yàn)樯鐣?huì)發(fā)展帶來促進(jìn)作用，內(nèi)心就會(huì)油然升起一股帶著雀躍的成就感。

彼時(shí)，正值我國社會(huì)進(jìn)步與科技發(fā)展的加速時(shí)期，為了解決國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及科技自身發(fā)展中面臨的國家需求及社會(huì)關(guān)鍵問題，國家鼓勵(lì)學(xué)者開展跨學(xué)科研究，加強(qiáng)科技創(chuàng)新。為了響應(yīng)國家號召，博士畢業(yè)后，王霞來到了北京理工大學(xué)光電工程專業(yè)開展研究工作。

如果將王霞比喻為一只內(nèi)心懷有強(qiáng)烈抱負(fù)的鳥，那么，北京理工大學(xué)則給了她自由的翱翔空間。作為中國共產(chǎn)黨創(chuàng)辦的第一所理工科大學(xué)，北京理工大學(xué)擁有深厚的研究底蘊(yùn)及豐富的教育資源。進(jìn)入學(xué)校后，王霞有幸結(jié)識(shí)了王大衍院士、周立偉院士、高稚允教授等我國光電領(lǐng)域權(quán)威人物，并跟隨他們開展相關(guān)研究，后來王霞將其形容為自己當(dāng)時(shí)是站在巨人的肩膀上研究和成長的。

在學(xué)術(shù)前輩及自身努力的加持下，王霞在科研上的進(jìn)步是飛躍式的，這種進(jìn)步最為明顯地體現(xiàn)在她對光電檢測設(shè)備的研究及應(yīng)用上。彼時(shí)，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，微光與紅外成像器件在我國多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，推動(dòng)了相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)。但問題在于，我國缺少與這些器件相應(yīng)的檢測設(shè)備，大部分時(shí)候只能從國外購買，且每臺(tái)設(shè)備檢測的功能有限，一項(xiàng)完整的檢測往往需要多臺(tái)設(shè)備共同完成。昂貴的價(jià)格加上多臺(tái)同時(shí)進(jìn)購，無疑極大地增加了工業(yè)生產(chǎn)的成本。因此，在高稚允教授的指導(dǎo)下，王霞開始琢磨如何自主研發(fā)這些器件，并將其集合起來，研發(fā)一臺(tái)系統(tǒng)的、多功能的檢測設(shè)備。

王霞回憶道，檢測設(shè)備的研發(fā)是在暗室中進(jìn)行的，并且在研發(fā)過程中需要長期不斷地觀察黑白條紋進(jìn)行測試，這個(gè)過程無論是對人的視覺還是心理影響都是非常大的。她笑著說，自己后來在兩年時(shí)間內(nèi)，只要看到帶有條紋的衣服，都會(huì)覺得十分晃眼。研發(fā)期間付出的努力沒有白費(fèi)，王霞最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的整體性研發(fā)，并且達(dá)成了在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對光進(jìn)行明暗調(diào)整的目標(biāo)，完成了這項(xiàng)難度不低的挑戰(zhàn)。要知道，這套設(shè)備的研發(fā)，在當(dāng)時(shí)的世界范圍內(nèi)都是相對領(lǐng)先的。

一片丹心圖報(bào)國

為國營企業(yè)研發(fā)微光與紅外檢測設(shè)備的經(jīng)歷打開了王霞研究路上的一個(gè)新的大門，從此之后，她徹底踏入了光電成像與光電檢測領(lǐng)域，并且又持續(xù)探索了多種創(chuàng)新性的檢測方法和檢測設(shè)備，來為國家的工業(yè)部門提供相關(guān)支持。

但王霞在光電領(lǐng)域的成果遠(yuǎn)不止如此，憑借為國家發(fā)展服務(wù)的初衷，她在偏振成像探測技術(shù)方面取得了一系列創(chuàng)新性的成果，為我國的海洋監(jiān)測、3D測量及人造目標(biāo)探測等領(lǐng)域的向前發(fā)展提供了有效的推力。

一直以來，水都是人類社會(huì)的寶貴資源，在國內(nèi)外眾多的權(quán)威分析報(bào)告中，都有這樣一個(gè)共同的結(jié)論：21世紀(jì)人類面臨的三大難題是人口、資源和環(huán)境問題，解決這些問題的出路之一在海洋。為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)，保護(hù)環(huán)境，海洋環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)成為我國乃至全世界共同面臨的課題。

但對海洋的監(jiān)測也面臨著種種難題，要知道，在海洋等水體環(huán)境中，太陽耀光等強(qiáng)雜波背景是目標(biāo)探測中極具破壞力的一種干擾環(huán)境，大大影響了探測成像系統(tǒng)的性能和應(yīng)用能力。此外，海面環(huán)境中紅外偏振成像探測的相關(guān)理論和雜波抑制方法研究開展相對較少，探測理論模型不夠完善，以及國內(nèi)缺少偏振成像探測設(shè)備，不能對相關(guān)理論進(jìn)行驗(yàn)證分析等，同樣成為海洋監(jiān)測道路上的難題。

針對上述問題，王霞首先研究了海面環(huán)境中的偏振光線傳輸過程，建立了海面紅外熱輻射偏振模型，使得對不同光照條件下的海面紅外偏振輻射特性數(shù)值仿真結(jié)果貼近經(jīng)驗(yàn)觀測值。不僅如此，王霞還帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)研究了水面雜波的紅外偏振特性，提出了基于最小偏振度/偏振角噪聲的線偏振成像系統(tǒng)的檢偏角優(yōu)化組合方法，并通過仿真研究太陽耀光的時(shí)域偏振特性，結(jié)合偏振濾波，以及時(shí)域?yàn)V波的優(yōu)勢，提出了基于太陽耀光時(shí)域偏振特性的水面雜波抑制方法，最終有效抑制背景雜波，大幅提升信噪比，有利于目標(biāo)探測。最后，王霞還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了一臺(tái)平行光路長波紅外偏振成像系統(tǒng)工程樣機(jī)，繼續(xù)投入后續(xù)的紅外偏振成像研究中去。這一系列研究在紅外偏振成像理論、方法、系統(tǒng)及海洋偏振場景仿真中填補(bǔ)了國內(nèi)諸多空白，為我國的海洋監(jiān)測事業(yè)貢獻(xiàn)了重要力量。

更上一層樓

事實(shí)上，別看王霞如今在光電成像及光電探測領(lǐng)域已經(jīng)擁有了深厚的研究底蘊(yùn)，并取得了眾多技術(shù)及應(yīng)用成果，在不斷提升自己研究能力的過程中，她也曾經(jīng)歷過因缺乏研究經(jīng)驗(yàn)而導(dǎo)致研究差點(diǎn)中斷的階段。只不過，在意識(shí)到自己在研究方法上的局限之后，她迅速改正，最終使得自己的研究水平更上一個(gè)臺(tái)階。

原來，彼時(shí)的王霞盡管已經(jīng)在光電成像及探測領(lǐng)域取得了多項(xiàng)成果，但是受之前電力電子與電力傳動(dòng)研究思維的影響，她更傾向于從技術(shù)層面來解決現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的問題，而對其中更深層次的機(jī)理問題相對欠缺考慮。談到這的時(shí)候，王霞特別感謝她博士后合作導(dǎo)師金偉其教授。

據(jù)王霞回憶，金教授當(dāng)時(shí)的指導(dǎo)建議對她的研究道路的影響是巨大的。在金教授的指導(dǎo)下，王霞苦下了一番功夫，最終在研究能力上更上一層樓，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用技術(shù)與基礎(chǔ)理論的共同進(jìn)步，并且將其應(yīng)用在后來關(guān)于光學(xué)成像系統(tǒng)性能評價(jià)仿真的研究中。

長期以來，光學(xué)成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國計(jì)民生的方方面面，如何有效地評價(jià)光學(xué)成像系統(tǒng)的探測性能，對于改進(jìn)光學(xué)成像系統(tǒng)，提高應(yīng)用效能具有重要的指導(dǎo)意義。因此，光學(xué)遙感及紅外成像由于成像任務(wù)與應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，有必要開展相應(yīng)的仿真研究。

針對遙感光學(xué)成像系統(tǒng)的探測性能評價(jià)，王霞基于數(shù)值模型的性能評價(jià)和基于圖像特征的性能評價(jià)兩個(gè)方面建立了仿真評價(jià)方法。在數(shù)值模型方面，她模擬了遙感成像過程中大氣、光學(xué)系統(tǒng)、遙感平臺(tái)、探測器等環(huán)節(jié)對成像質(zhì)量的退化影響，同時(shí)提出最小可分辨輻射對比度模型及其探測概率模型，使之可用于反映遙感成像系統(tǒng)的綜合探測能力。在圖像評價(jià)方面，她提出了一種基于圖像特征的性能評價(jià)模型，建立了基于圖像特征的探測概率模型，能夠?qū)Σ煌上癍h(huán)境、不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件下目標(biāo)探測概率進(jìn)行仿真對比。而在紅外成像系統(tǒng)性能評價(jià)方面，王霞則通過紅外場景仿真技術(shù)模擬不同型號的成像系統(tǒng)，在不同的氣象環(huán)境下，對不同場景成像時(shí)的效果圖，進(jìn)而對成像系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合評估。

王霞還重點(diǎn)開展了紅外場景仿真的理論分析和技術(shù)研究工作，構(gòu)造了紅外場景仿真的全鏈路模型，將嚴(yán)格的紅外輻射傳輸理論與現(xiàn)代高性能數(shù)值計(jì)算理論技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了高仿真圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)度、高輻射計(jì)算精度、高仿真計(jì)算效率的紅外場景仿真平臺(tái)。該研究在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有紅外場景仿真技術(shù)研究的不足，并且為后續(xù)進(jìn)行更深入的研究起到了推動(dòng)作用。

但王霞并不滿足于以上取得的這些成果，對她而言，光電成像及光電探測技術(shù)還應(yīng)該有更廣闊的應(yīng)用空間，“它就像一把劍，應(yīng)該用它來解決更多束縛社會(huì)向前發(fā)展的難題”。為此，她將研究目光聚焦在了非視域成像及中波紅外焦平面壓縮成像等新體制成像方面。

一直以來，非視域成像技術(shù)作為一種通過獲取中介表面的間接反射或散射信息，對視場外隱藏物體成像的新型探測技術(shù)，在反恐偵察、醫(yī)學(xué)成像、災(zāi)難救援和自動(dòng)駕駛等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。針對這一重要價(jià)值，王霞一方面設(shè)計(jì)了基于光子計(jì)數(shù)原理的時(shí)間分辨型非視域成像系統(tǒng)，通過主動(dòng)照明中介表面，記錄光子的飛行時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)對隱藏物體的探測和三維重建，并提出了基于中介面分辨特性的非視域邊緣二次投影算法、非視域成像方程逆問題求解和波場遷移算法，有效提升了隱藏物體的重構(gòu)質(zhì)量;另一方面，她還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)根據(jù)飛行時(shí)間（TOF）相機(jī)搭建了非視域成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離寬視場下非視域目標(biāo)的成像與深度信息獲取，并基于多角度的TOF實(shí)現(xiàn)了三維形貌融合和重構(gòu)。

而中波紅外成像技術(shù)具有探測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、反偽裝效果好等優(yōu)勢，同樣被廣泛地應(yīng)用于軍事偵察、遙感探測、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。但由于受限于現(xiàn)有焦平面探測器的分辨率，中波紅外成像系統(tǒng)的成像分辨率難以滿足實(shí)際需求。為此，王霞嘗試將焦平面壓縮成像技術(shù)應(yīng)用于中波紅外成像系統(tǒng)，借助現(xiàn)有低分辨率的中波紅外焦平面探測器，通過壓縮成像算法，重構(gòu)出高分辨率的中波紅外圖像。此外，她還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了中波紅外焦平面壓縮成像系統(tǒng)，并針對紅外波段下壓縮成像的特殊問題，展開研究了孔徑干涉抑制方法、系統(tǒng)雜散光校正方法和系統(tǒng)非均勻性校正方法等關(guān)鍵技術(shù)。該項(xiàng)研究為中波紅外焦平面壓縮成像技術(shù)未來的發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對于中波紅外焦平面壓縮成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有重要的借鑒意義。

科研的傳承

風(fēng)風(fēng)雨雨幾十年走過，如今，王霞已經(jīng)從一個(gè)初入光電研究領(lǐng)域的新人，成為了該領(lǐng)域的資深專家。但她至今仍然清晰地記得，當(dāng)年她初來北京理工大學(xué)時(shí)，因年邁即將退休的高稚允教授曾表達(dá)過，希望她能夠接著自己的研究方向繼續(xù)往前推進(jìn)，促進(jìn)光電成像及探測技術(shù)在我國各領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)過多年刻苦鉆研，王霞終于沒有辜負(fù)前輩的囑托，在該研究領(lǐng)域取得了一個(gè)個(gè)不俗的成果。但她很清楚，未來在該領(lǐng)域還有很多難題需要去克服，并非只憑一人或一代人的力量可以完成。因此，在科研之外，王霞也會(huì)花費(fèi)大量的精力來提高學(xué)生的科研能力和科研素養(yǎng)。在她看來，只有一代又一代人堅(jiān)持傳承與創(chuàng)新，才能促進(jìn)我國科研及社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步。

“我希望有一天，我國能夠在光電領(lǐng)域的各方面追趕甚至趕超國際先進(jìn)水平。”王霞語氣堅(jiān)定地說道。因此，無論未來的科研之路有多難，這個(gè)外表柔弱，內(nèi)心堅(jiān)韌的科研女子都會(huì)一如既往地朝著這個(gè)目標(biāo)走下去。