科学研究


(一)引智基地研究方向

本引智基地将密切关注该学科国际发展动态,结合国家中长期科技发展的需要,以“复杂环境光电信息感知科学与技术”为主方向,重点在复杂环境与目标光电特性、光电探测技术、光电信息与图像处理等领域进行基础理论、关键技术和应用研发等合作研究工作。

(二)引智基地主要研究内容

本引智基地今后五年将紧密围绕上述三个重点领域开展研究工作。

1. 复杂环境与目标光电特性

在该领域的研究中,项目负责人郭立新教授和校内学术骨干张建奇教授、韩一平教授、张民教授、魏兵教授等拟继续与海外学术骨干Qinghuo LiuFabrice OnofriSteven Gao等教授合作,重点研究如下三个方面的基本问题:

1.1 复杂环境中电磁波与光波传播特性研究

(1) 对流层复杂大气环境电波传播特性

研究微波及毫米波通过雨、雪、雾、沙尘、烟雾、大气湍流等多种环境下的传播机理与规律,建立多种传输效应如衰减、去极化分辨率、环境等效RCS等衰减的预报模型;研究对流层卫星通信传播特性与抗衰落技术,建立地空路径的电磁波传输模型。

(2) 电离层中电波传播特性研究

开展电磁波散射通信的机理研究及空间等离子体层对雷达脉冲波束展宽,闪烁、信号相干性的影响研究,建立简捷、有效的电离层不均匀体电波传输模型;进行电离层微波信号的射线跟踪和偏移现象与机理研究;开展电离层电波环境效应统计建模和预测技术研究;开展流星余迹散射与极地空间物理电波传播研究;开展短波电离层斜向返回传播、返回散射电离图自动判读技术以及地海面短波散射影响、电离层扰动与异常的影响研究。

(3) 地海与大气的耦合及电磁波传播

研究低空大气对地海上方信号传输特性影响,低空电磁环境将引起信息链路信号的折射、闪烁、衰减、交叉极化、色散、时延等电波环境效应;研究气象环境对大气波导产生的影响机理及大气波导环境和大气反常传播的可靠预报,提高微波雷达、通信和侦测等信息系统的范围;发展基于地理特征的确定性传播预报方法;探索抗杂波、传播衰落和其他传播效应的理论方法和实现途径;开展空间系统中的地海面多径传播特性研究。

(4) 地空环境光传播与应用技术

研究光波束在各类复杂环境中的传输特性研究,特别是地-空斜程传播的闪烁特性、漂移特性以及波束扩展特性;目标在湍流大气中的激光回波特性;地球大气系统中阳光、天地背景(含云层)光传输特性模化和数值计算,用于目标与环境光特性建模与仿真;低能见度各类气溶胶(云雾、烟尘)激光传输与后向散射特性,及在制导和引信中应用;复杂大气中激光脉冲的传输与畸变效应,紫外的大气吸收与散射,以及在无线光通信中的影响。

1.2 目标与环境电磁散射特性

(1) 复杂目标电磁散射特性

开展复杂目标电磁散射和逆散射特性研究,应用时域和各种高低频方法计算复杂目标的散射特性和瞬态响应;应用时域、频域和高阶等效边缘电磁流方法,开展复杂目标的电磁散射特性研究。结合工程经验模型和矢量辐射输运理论,开展高密度大数量箔条/箔片干扰云团及编队目标的电磁散射特性和时域特性分析。

(2) 复杂背景的电磁散射与辐射特性

进行各种海况海面、地物、植被的多波段的电磁散射、辐射模化与杂波特性和参数估计研究;开展多频段的植被和不同海况海面电磁散射、辐射特性建模和地海杂波特性分析;结合星载合成孔径雷达进行典型目标与背景电磁散射、辐射特性复合建模、电磁成像和分离技术的计算仿真。

(3) 复杂背景与目标复合电磁散射特性

结合高频近似方法、数值算法及混合算法开展从频域、时域研究各类地表、植被、丛林、海面与目标复合电磁散射与辐射特性,包括:实际海洋背景中,不同海况下的海面上方各类中小型运动目标,以及目标散射特性研究;宽带和超宽带复杂背景中目标的复合散射及探测与识别研究;复杂地物环境与目标SAR图像特征;SAR图像判读、解译及目标识别技术;考虑大气湍流、沙尘暴、降雨、云、雾、雪等天气条件对目标电磁散射特性的影响,以提高平台对目标的检测能力。

1.3 目标与环境光学特性研究

(1) 激光散射特性新机理

开展各向异性粒子的波束散射解析理论,以及生物、环境检测、天线与电磁近场散射等应用;极化BRDF的测量与理论建模,紫外光谱BRDF测量与建模;开展高光谱分析及激光SAR和目标激光Doppler成像技术;研究湍流介质和粗糙面散射的高阶矩特性以及散斑效应;粗糙面与嵌入(或上方)多粒子的复合光散射特性;随机簇团粒子光散射及在烟尘和环境检测中应用;单光子在大气中传输效应;纳米结构材料制备与物理特性研究。

(2) 目标和环境光散射和辐射特性

重点研究空间动态目标可见光、近红外和激光散射特性;目标激光(或光谱)双向反射分布函数测量与模化技术;各类地表激光与光谱散射特性;目标激光距离多普勒成像以及微运动特征检测研究;空间目标紫外光谱散射特性。

(3) 复杂目标与环境光学特性建模与仿真

针对目标与背景在多个维度(空间,时间维,光谱等维度)红外物理特性,研究大规模高逼真度场景生成技术、多光谱场景生成技术及红外场景驱动引擎技术等,包括研究三维地形自动生成技术、纹理映射技术,实现大规模场景的快速构建;研究真实纹理采集,实测纹理反演技术,实现高真实感纹理获取;研究场景动态替换技术,实现大规模高逼真度场景生成;研究纹理数据管理技术、波段推演技术,实现多光谱场景生成。

2. 光电探测技术

在该领域的研究中,校内学术骨干魏志义教授、韩香娥教授、周慧鑫教授、邵晓鹏教授、王石语教授、刘继芳教授等拟继续与Bormin HuangYang ZhangHaomin Zhou等教授合作,重点研究如下三个方面的基本问题。

2.1 红外成像探测技术

(1) 大面阵高灵敏度红外探测器

为追求更高水平的红外探测技术,未来将重点研究发展甚长波、双色与多色和主被动双模红外焦平面探测器,以及探索在目标辐射入射方向上原位集成像素级分光和像素级偏振选择等功能结构的红外焦平面探测器,探索红外焦平面探测器灵敏度提升的新工艺、新机理。开展量子点红外探测器、超晶格红外探测器建模、设计和工艺研究。

(2) 大视场红外超分辨率成像技术

针对未来广域红外成像探测需求,从光学系统设计、新模式采样、计算成像等角度研究大视场超分辨率红外成像技术,探索新器件、结构、技术在红外成像系统设计中的应用。

(3) 偏振/多谱组合红外成像探测技术

针对复杂背景或环境中目标探测需求,为有效抑制复杂背景杂波,提取目标特征,在对光电信息需求日益精细化直观化的推动下,重点研究“成像+光谱+偏振”组合的多维成像与感知技术,探索其在复杂场景中典型目标的探测应用。

2.2 /高光谱成像探测技术

(1) 高光谱成像反演模型和标准光谱数据库构建

以典型目标的光学特性为基础,考虑大气的辐射传输特性,星载成像系统效应得到与拍摄条件一致的基准目标光谱数据;根据高光谱图像中伪装目标光谱曲线的特点,建立伪装目标光谱特征提取模型,将光谱曲线所携带物理特征引入到高光谱图像目标检测模型中,建立目标检测算法与地物物理属性的耦合链路模型,研究复杂背景典型目标的光谱数据库。

(2) 高光谱成像采集与并行探测

针对复杂环境中运动目标高光谱探测,开展高光谱成像视频采集装备研究;对建立高光谱伪装目标检测模型进行并行化设计,借助CUDA大幅提高高光谱图像伪装目标的检测与识别计算效率。

2.3 激光雷达探测技术

(1) 新型脉冲激光技术

研究适用于复杂环境光电成像与探测所需的高效小型化新型激光辐射源。针对DPL中晶体热耗的分布与测量、稳态和瞬态晶体热透镜效应的分析与计算、晶体端面形变分析与测量、热不灵敏腔设计以及大功率泵浦情况下晶体散热技术等方面进行理论和实验研究。重点研究高重复频率、高峰值功率、高光束质量、高可靠性、长工作寿命的小型化实用激光器件。

(2) 超快激光技术

研究新型LD泵浦全固态超快激光产生和放大的新技术。开展超快激光非线性频率变换的理论和实验研究,实现工作在3-5μm中红外波段的可调谐超快激光光源。探索基于全光纤结构的高稳定性超快激光器,着力解决车载、机载光电探测系统对系统稳定性的苛刻要求。研究超快集成微光子学和超快激光微加工技术,实现实用化的超高速紧凑光通信单元器件。

(3) 激光探测技术

开展激光目标自动识别技术、合成孔径激光雷达技术和激光尾流探测技术研究。研究目标激光雷达截面,回波时域特征、粗糙目标回波退偏效应以及目标振动谱在自动目标识别技术中的应用;研究实际目标表面粗糙引起激光回波退相干效应对光外差探测的影响,建立回波光外差信号的统计模型。研究尾流场对激光光束质量、空间频谱、脉冲特征、时间频谱的影响。提出基于激光光斑漂移、激光空间谱强度、激光脉冲特性及激光多普勒频移特征变化等舰船尾流检测新方法。

3. 光电信息与图像处理

在该领域的研究中,校内学术骨干韩香娥教授、刘继芳教授、邵晓鹏教授、周慧鑫教授、王晓蕊教授、刘德连副教授等拟与海外学术大师Chein-I Chang和海外学术骨干Yongsheng GaoAjmal MianXiuping JiaJun Zhou等教授合作,重点研究三个方面的基本问题,即多/高光谱图像处理、红外图像处理和新型光电信息处理与系统,具体研究内容详述如下。

3.1 /高光谱图像处理

研究多/高光谱图像处理中的端元提取、亚像元定位、图像分类、异常检测等内容,不仅具有重要的理论价值,还可提高得来不易的高光谱图像的利用率,尽可能多地从高光谱图像中提取有用信息,实现效率更高、性能更优的图像处理算法,为高光谱图像的后续处理提供支持。针对多/高光谱图像处理,主要进行以下三个方面的合作研究。

(1) 端元提取与亚像元定位

由于光谱成像仪的空间分辨率有限,实际成像中,一个像元对应地面一个区域,而这一个区域有可能是由多种物质混合而成,因此不能直接对像元进行直接分析需要进行解混。本合作研究将利用混合非线性光学,从假定影像中存在纯像元而提取混合度最低的像元为端元,到直接从高混合影像中获取纯光谱作为端元光谱,增加丰度的估计,获得高精度的端元提取。此外,由于光谱图像空间分辨率较低、混合像元普遍存在,检测得到的目标像素通常是目标成分和背景成分的混合。通常情况下,检测目标的准确空间位置具有很大的利用价值,因此有必要对高光谱图像的目标检测进行亚像元定位研究。合作研究将利用空间相关性进行亚象元定位,以将空间相关性的作用发挥到最大。

(2) 图像的分类

分类是一种重要的获取信息的手段,其研究目标是将图像中所有像元自动地进行地物类型的分类。高光谱图像的分类按照不同的标准可分为监督分类、参数分类和非参数分类、确定性分类和非确定性分类以及其他分类方法。本合作研究将通过对混合像元进行分解获得各类地物在混合像元中所占的比例,然后根据各类地物在混合像元中所占的比例来确定混合像元的类型,减少错分的可能,提高分类的精度。

(3) 异常检测

针对无先验信息的高光谱遥感图像异常检测问题,本合作研究将引入多元统计分析的理论和方法,建立异常检测模型,实现有效的异常检测算法,并建立检测结果的评价分析方法。异常检测不仅可以作为目标检测与识别系统的前处理,也可以作为其它图像传感器分析的辅助工具,还可以直接作为最终输出结果作为侦察等服务。

3.2 红外图像处理

红外图像处理是红外成像应用系统的关键组成部分。引智基地将从图像获取、图像预处理、特定任务的图像处理、图像处理的软硬件实现系统等方面展开全链路的研究。

(1) 图像预处理

针对红外成像所特有的成像非均匀性、对比度低等问题。合作重点研究超分辨率图像重建技术、红外焦平面阵列的自适应非均匀性校正技术、光电图像的增强技术及其实时实现技术,以有效地提高成像质量,等效地提高系统的成像性能,为后续的系统应用提供有效的技术基础。

(2) 特定任务的图像处理

针对空间目标监视和跟踪、高分辨率对地观测等的应用任务要求,重点研究复杂背景下红外弱小目标检测与跟踪技术、光电图像配准与信息融合技术、基于图像的目标特征提取技术以及软硬件实现系统等内容,以满足相应的应用系统的应用需求,为提高这些应用系统的性能提供有效的技术途径。

3.3 新型光电信息处理与系统

(1) 光电信息获取新原理与新技术

探索多维光电成像的新体制、新方法和新原理研究,在大孔径轻型光学系统设计、新型光谱分光成像技术,多孔径集成成像等关键技术方面有所取得突破。研究太赫兹成像、量子成像等新体制光电探测方法的工作机理、系统组成及关键技术等科学问题。研究光场自身特性与物质的光学性质,综合考虑光与物质相互作用机理,研究不同于传统光学成像系统成像原理的新物理机制的成像光学系统、新体制成像方法,包括计算成像、随机散射介质成像。

(2) 光电系统设计与应用

重点研究高性能的光电参数测试系统(例如高精度CCD芯片测试、红外成像系统测试、熔融型光纤测量分析系统等)、光电信息获取组件的驱动系统(例如红外激光功率稳定系统、高性能红外焦平面阵列驱动系统等)、光电全景成像系统设计、光电跟踪系统设计、多光谱成像系统构建、红外告警系统、光电制导系统、集成显示等。

(三)引智基地预期目标

通过本引智项目的实施,更好、更快、更有效地解决复杂环境和目标光电特性、光电探测与信息处理等领域国际上共同关注的重点和难点问题,在基础理论上力争获得重大创新和研究突破,并在相关应用关键技术上取得重要成果。显著提升我校光学工程和无线电物理学科在国际相关领域的水平和地位;努力将本引智基地建设成为国内复杂环境光电信息感知科学与技术领域具有示范作用的人才培养、科学研究和国际学术交流的合作创新基地。

科学研究方面

针对复杂环境光电信息感知科学与技术领域内的前沿技术和热点问题,通过与海外大师与骨干的通力合作,合作申请项目,联合攻克复杂环境高精度光电建模、高精度光谱快速探测、超衍射极限光学成像、新体制光电成像和高光谱智能信息处理等难题。通过深层次的合作研究,在国际知名学术期刊和主流国际学术会议上发表高水平学术论文不少于100篇;申请国家和国际发明专利不少于30项;出版相关著作8~10部。同时,将所获的研究成果进一步推广应用,解决新一代光电成像探测系统研制中的实际问题,并推动相关技术标准的形成,掌握有自主知识产权的技术成果,形成一定的应用规模和产业化。

学术交流方面

根据本引智基地的计划,将在为期5年的项目实施期间,邀请基地海外学术大师、海外学术骨干来本基地访问、讲学、合作研究不少于15人(次)/年;5年期内派出基地国内中青年学术骨干到国外对口领域处于领先水平的伙伴院校或研究机构访问、学习、交流合作不少于15人(次);5年期内与国外人才合作举办4~5次国际学术会议。

主要措施:

举办学术研讨班、开展多种形式的讲座与培训;

举办国际学术会议;

建立教师互派互访工作机制,联合培养研究生;

合作申请重要科学研究项目;

共同编撰学术专著、发表学术论文、申请发明专利。

通过上述的措施,并通过建成一个面向复杂环境下的光电信息感知与处理的国家级科学研究、高层次人才培养及国际学术交流基地—光电信息感知与处理协同创新中心,使本引智基地成为光电信息感知与处理领域国际学术交流的重要平台。

(四)引智基地预期实质性合作任务

1. 在复杂环境/目标光电特性理论建模及应用研究上取得重要进展

本引智基地在全球范围内汇集了复杂环境光电特性与光电感知领域的顶尖专家,拟通过5年的合作研究,在基础理论上力争获得复杂目标与环境光电特性重大创新和研究突破,开展复杂环境光电特性与信息感知基础理论与关键技术研究,在复杂环境与目标耦合特性建模、环境特性对光电成像探测性能的影响机理及成像探测新体制、新原理和新技术方面取得重要进展,显著提升我校本学科在国际相关领域的水平和地位;努力将本引智基地建设成为国内复杂环境光电特性与探测领域具有示范作用的人才培养、科学研究和国际学术交流的合作创新基地,服务于高分对地观测、深空探测、反隐身探测和环境遥感等国家重大工程。

2. 攻克目标-环境-探测器-信息处理综合一体化光电探测与信息处理系统关键技术

在本引智基地,以海外学术大师Chein-I Chang教授为核心的多名海外学术骨干,联合国内的中青年骨干,以规划中的国家重点工程—新一代高分对地观测系统为工程背景,深入研究其复杂环境光电特性与光电探测处理系统耦合作用问题,从系统工程的角度出发,由光电探测到信息处理作为全链路考虑,突破光电探测与信息处理的关键技术,尤其是在高分辨成像技术和高光谱图像处理方面取得重要进展,为提升我国光电探测与信息处理的研究水平创造条件。

3. 培养高端人才、构建高水平研究团队

本引智基地中,国内的中青年骨干将全面投入到与海外专家的合作研究中,除学术研讨、培训外,这些骨干将直接进入到海外专家的研究基地展开深入的研究工作,以迅速提升其学术水平,从而在短期内构建一支高水平的复杂环境光电特性与探测技术研究团队。并通过建立光电信息感知与处理协同创新中心以及举办国际会议等举措,使本引智基地成为本领域国际学术交流的重要平台。

在人才方面,通过引智基地的培养,使得基地内20名左右的中青年学者与海外研究人员建立紧密的研究合作关系;争取培养出10名左右的校内华山菁英学者、“优秀青年基金获得者”或青年长江学者1~3名、“长江学者特聘教授”或“杰出青年基金获得者”1~2名。在科研团队方面,努力争取创造“陕西省重点创新团队”或“教育部重点创新团队”1~2个。

引智基地学科研究基础与优势、支撑条件、组织保障措施概述


本引智基地依托西安电子科技大学物理与光电工程学院,主攻方向面向国家光电工程领域重大战略需求,致力于解决未来光电信息感知与处理中的关键科学问题,并打造战略性、国际化的光电信息感知与处理的学术研究与高层次人才培养基地。实现这一目标,西安电子科技大学在学科基础与传承、学术声誉与影响力、研究基础与人才队伍、支撑条件与组织保障等方面都具有显著的优势。

学科研究基础与优势

本引智基地以光学工程和无线电物理为学科基础,密切关注该学科国际发展动态,结合国家中长期科技发展的需要,以“复杂环境光电信息感知科学与技术”为主方向,重点在复杂环境光电特性、光电探测技术、光电信息与图像处理等领域进行基础理论、关键技术和应用研发等合作研究工作,先后获得国家和省部级科技成果奖40余项。几十年来,学院培养的毕业生中涌现出了中科院外籍院士、欧洲科学院院士、国际知名的纳米研究专家王中林,中国工程院院士、通信学专家于全,中国科学院院士、宇宙学专家武向平,中国科学院院士、微电子学家郝跃,探月工程副总指挥阴和俊研究员,国防973项目首席科学家董庆生研究员,华中科技大学副校长、SPIE Fellow骆清铭等数十位行业领军人物、技术骨干和知名专家学者,为国家建设和社会进步做出了重要贡献。

引智基地的建设依托于我校物理与光电工程学院光学工程(一级学科)和无线电物理两个学科,学科之间理工交融,实现了光电探测基础与光电信息、光电工程以及交叉学科的结合。光学工程学科的前身是创建于60年代初的量子无线电专业,70年代中期改为光电子技术学科,后更名为物理电子学。1998年获得光学工程硕士授予权,2000年获得光学工程一级学科博士授予权,2001年被授予信息产业部部级重点学科。我校光学工程学科在以下四个研究领域具有鲜明特色及优势:新型激光器及应用技术;激光雷达与光电探测技术;光电目标探测、识别与信息处理;超快激光技术及应用。无线电物理学科起源于上世纪六十年代初期,电波传播专家王一平、肖景明等教授率先在国内开展了微波、毫米波传播研究,成功研制了我国第一部毫米波通信样机。该学科于1998年获无线电物理博士学位授予权,2000年被评为信息产业部重点学科,现为国家“211工程”重点建设学科。2010年获得物理学一级学科博士学位授予权。复杂环境下的电波传播、光与复杂结构的相互作用、目标与环境的光电散射特性、计算电磁学等是该学科的特色及优势所在。

引智基地依托智能感知与图像理解教育部重点实验室、新型激光器件与光信息处理、无线电物理三个省部级重点实验室和国家级智能感知与计算国际联合研究中心,并建有总装电波观测网西安观测站(国内唯一设立在高校中的观测站)。近十年来承担国家973863、重大专项、国家自然科学基金重点项目20余项,国防预研、国防基础科研、国家自然科学基金面上等国家级科研项目100余项,年均科研经费3000余万元。在新型激光器及应用技术、光电成像探测、光电图像处理、目标和复杂环境复合电磁散射、复杂目标电磁计算方法和复杂环境电波传播特性研究等方面取得了一批代表性成果,获得国家科技进步二等奖、三等奖各1项,获得省部级科学技术奖20余项。在国内外重要核心期刊上共发表论文1800余篇,已成为国内光学工程和无线电物理领域人才培养的重要基地。

凭借良好的学科基础,西安电子科技大学“复杂环境光电信息感知科学与技术”学科创新引智基地有利于进一步深化国际交流与合作,有利于攻克复杂环境光电信息感知的关键科学难题,有利于培养国际化的高层次人才有利于提升我国光电信息感知与处理领域的学者在国际学术界的地位和影响力,从而培育一个战略性、国际化的光电信息感知与处理的学术研究与高层次人才培养基地

支撑条件

本引智基地依托单位西安电子科技大学是以信息与电子学科为主,工、理、管、文多学科协调发展的全国重点大学,现有18个学院,国家211工程”、“985优势学科平台”重点建设高校,学校牵头的“信息感知技术协同创新中心”通过“2011计划”认定,行业产业类第一。是首批35个示范性软件学院、首批9所示范性微电子学院和首批9所获批设立集成电路人才培养基地的高校之一,建有“天线与微波技术国家重点实验室”、“雷达信号处理国家重点实验室”以及“综合业务网理论及关键技术国家重点实验室”3个国家重点实验室,24个教育部、省部级重点实验室,4个国家基地:“国家电工电子基础课程教学基地”、“国家电工电子实验教学示范中心”和“集成电路人才培养基地”、“国家工程训练中心”。现有2个国家一级重点学科、1个国家二级重点学科、33个省部级重点学科。全国第三轮一级学科评估中,“信息与通信工程”学科全国排名第二,“电子科学与技术”学科全国排名第四。

本引智基地依托信息感知技术协同创新中心、智能感知与图像理解教育部重点实验室、新型激光器件与光信息处理重点实验室、无线电物理重点实验室、光电成像与探测重点实验室、国家级智能感知与计算国际联合研究中心、复杂地物环境电波传播与散射创新团队、总装电波观测网西安观测站、山东浪潮华光光电子股份有限公司工程实践教育中心 、光信息与功能元器件实验教学中心等多个多个学术研究和人才培养平台。本引智基地可以合理调配这些实验室的软硬件资源,海外大师、骨干以及国内骨干提供充足研究资源、完善的实验条件和方便的交流平台。

西安电子科技大学物理与光电工程学院积极开展校企合作,大力加强产学研合作,已经与中科院西安光机所、中电27、兵器205所、航空612613所、航天8358、航天八院、浪潮华光等国内光电主流企业建立了长期战略合作伙伴关系,这为本引智基地的科学研究提供了企业级的实验和验证环境。

组织保障措施

本引智基地的申请和建设受到依托单位领导的高度重视,由校级领导牵头,成立了西安电子科技大学111计划”领导小组,并协调我校国际合作与交流处、科学研究院、人事处、财务处等相关职能部门共同参与成立了111计划”管理办公室。该办公室日常工作由国际合作与交流处负责,并指定具有丰富对外联络与协作的工作人员作为联络员。办公室负责制定本校引进海外人才的相应政策;建立有利于创新引智基地发展的管理体制与运行机制;负责与其相关的协调、实施和管理工作。

 


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