雷达水位站

作为浙大博士毕业生，鲍芳琳用一篇 Nature 封面论文开创了热雷达的先河，为人工智能安上了一双白天夜晚均能看见的“眼睛”。（来源：Nature）这得从他和所在团队提出的新型机器感知方法——HADAR （heat-assisted detection and ranging）说起。HADAR 的中文名是“高光谱热雷达”，也可以简称为“热雷达”。这是一种新颖的传感范式，与现有的微波雷达（radar）、激光雷达（LiDAR）、声纳（sonar）等有着根本性不同。微波雷达、激光雷达与声纳都是主动式传感，它们会主动向环境发射信号。热雷达是被动式传感，会和相机一样“默默”地接收信号。课题组之所以将它取名为雷达，是希望有朝一日热雷达可以像微波雷达和激光雷达一样，在各行各业中取得广泛应用。图 | 鲍芳琳（来源：鲍芳琳）从人类在夜晚没有视力说起当前，人类正处于人工智能蓬勃发展的时代。机器人外卖员、扫地机器人、自动驾驶汽车等已经开始走进人类生活。预计在未来十年，将会有数以百万记的机器人和人类共同生活在地球上。届时，机器人和人类的社会互动将达到一个空前的强度。对于这些机器人来说，它们必须借助传感器来“看”周围的环境，并在获得机器视觉之后做出自主决策。在当前的智能机器市场上，以谷歌以及特斯拉的无人驾驶汽车为例，它们主要采用相机以及激光雷达来获得机器视觉。相机结合机器学习算法的方法，在白天的确表现优异，但是一到夜晚就没法工作。事实上即使在白天，相机也不能很好地区分真正的行人与海报上的人像。另一方面，激光雷达以其高精度而著称，在机器视觉领域有着不可替代的作用。然而，激光雷达只适合单机使用，难以扩展到多人工智能的场景中。当多台激光雷达放在一起，就会出现信号串扰，并对人眼造成安全隐患。由此可见对于即将来临的机器人时代来说，显然需要新一代的传感器，以便不分昼夜地支持多人工智能场景。当然，作为人类的我们早已习惯了白天与黑夜的二分世界。在黑夜看不见东西也是一个再自然不过的现象。那么，想要造出一个不分昼夜的传感器，先得回过头去思考：为什么人的眼睛在黑夜没有视觉能力？这其实是生物演化的结果。几百万年前，人类跟其他陆地动物一样都还是远古海洋生物。海洋几乎只在可见光区域透明。从那时起，人的眼睛就一直围绕着可见光演化。然而，地球一直在自转，始终只有一面朝着太阳。背对太阳的另一面没有可见光，于是就形成了黑夜。而人工智能既没有生物演化，也无需考虑海洋的透明窗口。那么，人工智能的机器视觉可以做到没有昼夜之分吗？鲍芳琳说：“我们的热雷达工作给出了肯定的答案，YES！”在这项工作中，第一步便是利用红外热辐射作为传感信号源。事实上，我们周围的所有物体诸如地面、房子、人体等，都会不分昼夜地发出红外热辐射。利用红外热辐射进行成像，具有一定的夜视能力。然而，热成像有着非常典型的“鬼影效应”。如下图，热成像之下的人脸没有细节，更像个“鬼魂”。图 | 鲍芳琳的热成像照片（来源：鲍芳琳）其实热成像下的其他物体也都一样：缺乏纹理、对比度低，远不如白天我们眼见的景象。那么，“鬼影效应”是怎么产生的？假如能从热成像中恢复纹理细节，使热成像达到类似于白天景象的效果，就能得到真正的夜视吗？鲍芳琳说：“我们的热雷达工作正是解释并克服了‘鬼影效应’，并实现了真正的夜视。热雷达可以在黑夜看到类比于白天的景象，在此基础之上实现不分昼夜的机器感知。”由于热雷达是被动式传感，所以非常适合用于多人工智能场景，有望为未来的人机交互时代提供传感支持，并有望为机器视觉以及人工智能带来突破。可以说，热雷达重新定义了低可见度环境下的机器感知，即将为低可见度下的机器视觉以及成像技术带来革命。审稿人也评价称：“这篇论文将会吸引全球学者来探索热雷达，并将热雷达的框架应用到低可见度情况的各个任务场合。”同时，热雷达毫无疑问将提升自动驾驶以及其他机器辅助技术。随着热雷达的进一步优化，它将开辟一个全被动的、对物理环境有着灵敏传感的机器感知技术。由此可见，热雷达有望重塑我们的未来，它会让我们更加接近一个人机交互的社会。在那里，机器可以通过高灵敏传感为我们提供既关键、又安全的信息。（来源：Nature）具体来说：热雷达最直接的应用就是作为机器人以及无人驾驶汽车的传感器。热雷达采取完全被动式的传感方式，可以感知材料、温度、几何纹理等多维度的物理信息，还能在黑夜看到类似白天的景象，这将为机器人提供全新的机器视觉支持。热雷达也能用于野生动物监测。野生动物大多只在夜间活动。热雷达的夜视能力以及灵敏的温度感知能力，将帮助我们更好地监测珍稀野生动物。热雷达也可用于智能医疗，更好地在夜间监测患者的行为、状态。热雷达还能用于国防领域，由于其具备被动传感的特征，故其具有良好的隐蔽性。日前，相关论文以《热辅助探测和测距》（Heat-assisted detection and ranging）为题发在 Nature，并成为当期封面论文。鲍芳琳是第一作者，美国普渡大学祖宾雅各（Zubin Jacob）担任通讯作者[1]。图 | 相关论文（来源：Nature）“本来也不存在路，路都是人走出来的”事实上，这篇发表于 Nature 封面的论文，一开始起源于鲍芳琳用来练手的一个小课题。2019 年 5 月，为了拓宽个人研究方向，鲍芳琳来到美国普渡大学 Zubin Jacob 组从事博后研究，原本他打算做一个量子多体物理与张量网络的课题。然而等鲍芳琳真正来到普渡大学，Zubin 却并没有成功申请到张量网络的项目。于是，他们打算先花两三个月时间，拿个小课题练练手。一边积累机器学习与张量网络方面的知识，一边申请新的项目。对于这个小课题，Zubin 给鲍芳琳设定了一些相对浅显的内容：用机器学习对红外光谱进行材料分类。不过，Zubin 却给这个小课题取了一个响亮的名字——HADAR（heat-assisted detection and ranging），这便是此次研究的前身。但是，Zubin 和鲍芳琳都没有红外遥感方面的基础。等鲍芳琳掌握了张量网络、神经网络与机器学习方面的必要知识后，鲍芳琳又开始了解领域内的现状，结果发现对于红外光谱进行材料分类这种工作，早在十年前就被做完了，因此并不能作为新的课题。但是，鲍芳琳觉得 HADAR 这个名字有点意思。利用红外辐射进行被动式传感，相比激光雷达而言也有其独特的优势。在 HADAR 这个单词里，D 跟 R 分别代表目标探测与距离测量。如果不像激光雷达那样主动发射信号出去，又该如何测量目标物体的距离呢？最直接的做法就是模拟人眼，用双目视差法测量距离。然而，鲍芳琳发现热成像受到“鬼影效应”影响，普遍都缺乏纹理，这时就很难采用双目视差的方法，这也是热成像传感领域的一个瓶颈。那么，为什么热相机拍照片无法像普通相机那样富含纹理呢？“鬼影效应”又是怎么产生的？以及能否克服“鬼影效应”，实现热红外的目标探测与距离测量？这些问题让鲍芳琳来了兴趣，也让他看到了真正适合 HADAR 这个名字的、完全不同于当初小课题的研究思路与内容。找到新的研究思路之后，他很快就想通了“鬼影效应”的机制与克服办法，由此提出了“TeX 视觉”的概念，这也是热雷达的核心原理。与此同时，Zubin 也极大肯定了鲍芳琳的想法。综合一些其他想法，再加上组里的前期研究基础，他们很快就在一年之内申请到 4 个项目。热雷达项目，则由其中一个 DARPA 项目支持。获得支持之后，他们分析了热雷达的理论极限，也研究了一些基础问题，比如热雷达需要多少个光子才能分辨目标物体的材料、以及测量目标物体的距离等。另一方面，他们也开始着手使用仿真模拟的方法，去证实热雷达的可行性，以及通过户外实验去实现热雷达的原始模型。（来源：Nature）后来，他们把上述研究整理为论文并投稿到 Nature，尽管得到了非常正面的评价，期刊编辑以及审稿人都表示这项工作很有意思。不过，鲍芳琳和导师以及同事基本都是物理或光学背景出身，而审稿人全部来自计算机科学和机器视觉领域。不同背景学者的关注点很不一样。审稿人在点赞理论框架的同时，也希望鲍芳琳等人补充更多的模拟与实验，真正把热雷达做出来，并与现有的激光雷达等进行对比。在长达两年的审稿过程中，鲍芳琳自学了一些计算机图形的基础知识。他还带着几个研究生开发出一个基于光线追迹的计算机图形仿真软件，生成了世界上唯一一个公开的红外高光谱成像的数据库（the HADAR database）。利用这个数据库，他们开始训练机器学习，并对热雷达理论进行数值验证。同时，利用 DARPA 项目组提供的更加优质的实验数据，鲍芳琳开发了一系列算法，在实验上实现了热雷达的所有效果，包括 TeX 视觉、类比于白天的夜视能力、显著优于传统热成像的目标探测与距离测量等。热雷达是一个新概念，也是一个跨领域的工作。虽然目前只是一篇期刊论文，但是鲍芳琳感觉其工作量堪比一个博士学位论文。短短 6 页的 Nature 正文背后，有着将近 100 页的方法与补充材料，涵盖光学信息理论、机器学习算法、实验细节、与当前机器视觉的对比分析等内容。审稿意见以及修改材料也长达 143 页。原本 3 个月的小课题做了 4 年才有了这第一个阶段性成果。鲍芳琳说：“论文合作者之一的 Vaneet Aggarwal 教授曾问我，这么长时间没出成果，你不怕以后找不到工作（教职）吗？说实话，我也担心。不过权衡之下，我觉得‘做好一件事情’比‘做过多件事情’更重要，所以一直在坚持。”而鲍芳琳和同事踏实的论证工作，也得到了审稿人多次的赞赏。与此同时，漫长的研究也并未让鲍芳琳过于担心找工作一事。因为在此前，他曾在其他项目上发表过一些论文。但是，由于热雷达过于前沿，他也曾遇到过一些困惑。其表示：“我本科学的是物理，博士学的是光学。在做热雷达之前，我主要研究量子物理。”在做热雷达之后，曾经有很长一段时间，组里新来的同学问他从事什么研究方向，很多次他都答不上来。尽管热雷达涉及到多个学科的知识，但它本身是一个新生事物，不曾被明确定义过。直到研究临近结束，他才慢慢释然。“本来也不存在路，路都是人走出来的。也许若干年后，热雷达本身就成了一个研究方向。”鲍芳琳总结称。另据悉，在论文审稿期间，鲍芳琳也迎来了女儿 Louisa 的出生。组里同学开玩笑说，她的名字应该叫 HADAR。他继续说道：“这项工作能坚持到最后，离不开亲人们默默的支持。”未来，鲍芳琳会持续推动热雷达相关的研究，直到它像激光雷达等一样在社会上取得广泛的应用。这其实是一条漫长的路，前文提到了鲍芳琳的热成像照片。那么，它对应的热雷达图像在哪里？目前依旧无法得到。这是因为，目前的热雷达仍然处于概念验证的阶段，还有很多理论需要通过进一步的实验加以验证，也有更多应用值得去探索。与此同时，热雷达所使用的高光谱热相机非常笨重、迟缓和昂贵，急需得到进一步的突破。“我计划回国之后在这些方面继续开展研究工作，希望 2024 年初能回到祖国怀抱，我未来的研究方向也会继续围绕量子物理与人工智能开展，热雷达便是其中的一个方向。”他说。参考资料：1.Bao, F., Wang, X., Sureshbabu, S.H. et al. Heat-assisted detection and ranging. Nature 619, 743–748 （2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06174-6

发展环境气象业务是国家和省委、省政府加强大气、水污染防治的迫切要求，江苏作为全国率先基本实现现代化试点省，也在率先建设完善环境气象服务体系上痛下功夫。省气象探测中心金坛实验站作为省环境气象业务建设的重点规划之一，已建成一套涵盖了颗粒物、常规气体、气溶胶、垂直高度上分层温度、液态水含量观测的环境气象综合观测站点。在诸多的环境气象影响因子中，云层、气溶胶和边界层属于非常重要但又变化快的因素。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射影响大气系统的辐射手指，从而影响局地、区域的环境气象变化；云层直接影响大气辐射平衡，从而影响的气象变化；有效地确定边界层高度和准确的监测其变化过程，对空气污染的扩散、传输模式以及污染物预报模式都有十分重要的意义。利用激光雷达技术对云层、气溶胶和边界层的监测在探测高度、垂直跨度、时间和空间分辨率、测量精度等方面有全面的优势，是其他手段所无法比拟的。省气象探测中心金坛实验站所选用的大气颗粒物监测激光雷达由无锡中科光电技术有限公司提供，代表了国内气溶胶激光雷达产业化的最高水平。江苏省气象探测中心于2015年5月27—5月31，在金坛基地对激光雷达进行了现场验收试验。验收组由中国气象局气象探测中心正研级高工柴秀梅担任组长，组员包括江苏省气象探测中心副主任周红根、江苏省气象探测中心高工王凌震、中国科学院安徽光机机密研究所环境光学中心副主任以及无锡中科光电技术有限公司的专家组成。测试组对金坛基地激光雷达系统的性能参数、功能、产品生产和随机资料等进行了检查、测试，并对系统进行了48小时连续运行的考机检验和参数复测。根据测试结果，测试组一致同意激光雷达系统通过现场验收。 激光雷达验收会现场

p style="text-align: center "strongspan style="text-align: justify text-indent: 2em "保铮：雷达界的“裁判长”/span/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/e7ae0a17-5f41-4c7a-9cf1-3852a1ecc1ec.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "保铮/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "保铮把自己的科学救国思想融于60多年的雷达技术科教历程中，又把科研成果转化为生产力和可观的经济效益。在他身上有着脚踏实地的精神，严谨科学的作风，热心育人的风范，体现出了铮铮爱国心。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/fd963c1c-938a-43f8-8095-91760a1c220f.jpg" title="2.jpg" alt="2.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "strong求真务实的学术路/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "保铮，1927年12月1日出生于江苏南通，1953年毕业于解放军通信工程学院（现西安电子科技大学，简称西电），师从毕德显先生，是中国第一届雷达毕业生。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "保铮在雷达研究领域取得的开拓性研究成果广泛应用于中国大量雷达武器装备中，为中国雷达技术的进步和发展作出了历史性的杰出贡献。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "1958年，作为技术骨干，保铮与其他几位教师共同研制出我国第一台气象雷达，经测试证明其主要技术性能与当时国外同类产品相当。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "据西电的雷达专业老教授讲，上世纪70年代初期，部队雷达出现故障，打电话找到在“五七”干校劳动的保铮，要求他帮助解决故障问题，而保铮往往只需对方讲述一下设备的运行情况，就能在电话中告诉指战员问题出在哪里，该如何解决，指战员按照电话里的指导进行操作，故障就真的排除了！/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "1973年10月，正在陕西眉县“五七”干校劳动的保铮，突然接到去南京参加四机部召开的一个重要会议的通知。因当时我国民航部门从法国进口了一部航管雷达，虽然对方将雷达卖给我们，但不卖信号处理机，我国只有通过自己研制解决。参加会议的保铮看过国外的方案，认为其设计过于复杂，决定自己设计一台数字动目标显示器，而且要比国外进口的便宜。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "1974年末，保铮在几年不搞科研、缺少研究设备的情况下，带领研究小组，悄悄地开始数字动目标显示的研究。经过一年多的艰苦攻关，研制出颇具特色的0.5微秒数字动目标显示器，不久又研制出0.2微秒的数字动目标显示器，推动了我国雷达数字信号处理的发展。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "他与研究组于1982年又研制出我国第一台动目标检测器和自适应天线旁瓣相消系统，1986年研制出可编程动目标检测器。这两项成果当时属于国内首创。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "作为中国雷达界的专家，保铮参与了大量重要雷达装备的技术咨询、方案论证和技术把关工作，他始终本着实事求是、求真务实和对国家高度负责的精神，不回避问题，对国家雷达研究或装备方面提出了大量宝贵的意见和建议，受到了雷达界同行的高度赞誉，被称为最值得尊敬和信赖的“裁判长”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "strong六十余载育人生涯/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "保铮在六十余载的科教生涯中，治学严谨，学术造诣深厚，非常注重理论与实践相结合，为国家培养了一大批优秀科技人才。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "1984～1992年，保铮出任西安电子科技大学校长，他勇于担当，真抓实干，狠抓学科建设，调整和拓宽专业结构，加强高层次办学基础，倡导从细微之处体现精神，提出“管理从严，学术搞活”的治校方针，强调科研对培养高层次人才的重要性，调整科研体制，建立了一系列专职科研机构。他根据雷达信号处理发展的新动向，先后选定了一系列新的研究领域，为雷达信号领域培养了一百多名博士研究生和硕士研究生。他总是放手让学生工作，又亲自作细致指导并严格要求。在保铮的博士生中，有3位曾获得全国百篇优秀论文提名奖，4位曾获得过全国百篇优秀论文奖。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "“2017年增选的两院院士中，西电78级校友、中国空间技术研究院‘嫦娥五号’总指挥、总设计师杨孟飞当选为中国科学院技术科学部院士，西电2000级（博士）校友、中国工程物理研究院副总工程师范国滨当选为中国工程院工程管理学部院士。现在，西电的院士校友数量已经增加到20位，这些人才的成长是保铮等老前辈、老专家当年潜心培育打下坚实基础的结果。”中国科学院院士、西安电子科技大学党委书记郑晓静介绍说。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "strong期望将雷达创新推向新高度/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "西电校长杨宗凯认为，保铮是学校的一面“旗帜”，深刻诠释着“西电精神”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "“‘能有机会用自己掌握的知识为社会作贡献，这种满足感是平常人难以体验的。’保铮这句话激励着我在西电努力前行，也激励着西电人在加快建设一流高校的奋进之路上，开拓创新，在新时代作出西电人的新贡献，继续打造‘西军电’传奇！”郑晓静如是说。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "“希望我们的师生能够真正做到‘顶天立地’！”保铮话语笃定，“近来学校发展势头强劲，西电人共同努力，学校一定会越来越好！”/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "“前天我们开学术委员会，保院士还坐着轮椅参加了会议，保院士说他很想去实验室看一看。”谈及保铮与雷达的不解情缘，雷达信号处理国家级重点实验室主任刘宏伟教授感动地说，“在保院士的带领下，几代西电人不懈努力，让这个专门从事新体制雷达和雷达信号处理基础理论研究及关键技术攻关的实验室，成为我国首批建设的国家级重点实验室，跻身雷达信号处理领域世界一流的研究机构。这些都有赖于保院士当年提出的‘顶天立地’思想。”/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em "保铮把自己的科学救国思想融于60多年的雷达技术科教历程中，又把科研成果转化为生产力和可观的经济效益。在他身上有着脚踏实地的精神，严谨科学的作风，热心育人的风范，体现出了铮铮爱国心。/pp style="text-align: right text-indent: 0em "span style="font-size: 14px "strong来源：《中国科学报》 2018年1月19日3版 /strong/span/pp style="text-align: right text-indent: 0em "span style="font-size: 14px "strong记者：张行勇 通讯员：吴华/strong/spanbr/br//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong讣 告/strong/pp style="text-align: left text-indent: 2em "strongbr//strongbr/ 中国共产党优秀党员、我国雷达技术领域著名科学家、教育家、中国科学院院士、西安电子科技大学原校长保铮同志，因病医治无效，于2020年10月21日18时45分在西安逝世，享年93岁。br/br/ 保铮同志，江苏南通人，1927年12月出生于江苏南通，1978年9月加入中国共产党，1953年7月毕业于解放军通信工程学院（现西安电子科技大学）雷达系并留校任教，历任西北电讯工程学院（现西安电子科技大学）讲师、副教授、教授、副院长，1984年10月至1992年2月担任西安电子科技大学校长。1991年当选为中国科学院学部委员（院士）。曾任国务院学位委员会学科评议组成员、国家自然科学基金委员会评审组成员、国家杰出青年科学基金委员会委员、陕西省科学技术协会副主席、雷达信号处理国防重点实验室学术委员会主任、信息产业部电子科技委员会顾问、解放军总装备部科技委员会顾问、空军科技发展与人才培养顾问。先后荣获国家级有突出贡献的科技专家、电子部优秀教师、陕西省优秀教师、全国先进教育工作者、五一劳动奖章、全国高校先进科技工作者、光华科技基金特等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、陕西省教学成果特等奖，2019年被授予“庆祝中华人民共和国成立70周年纪念章”。br/br/ 保铮同志丧事从简，遗体告别仪式定于2020年10月25日上午9点在西安殡仪馆咸宁厅举行。/ppbr/br//pp style="text-align: right text-indent: 0em "span style="font-size: 14px "西安电子科技大学保铮院士治丧工作小组br/br/二〇二〇年十月二十一日br/br/联系地址：西安电子科技大学党政办公室 710126br/br/联系电话：029—81891820，联系人：李明/span/p