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个人工作经历回顾(三):建立多波段成像(MBI)实验室

已有 678 次阅读 2020-6-3 15:03 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记| 实验室, 学生培养, 学术型, 工程技术型

建立多波段成像(MBI)实验室(非官方)

【努力创造一个有利于人才培养和学术研究的小环境。】

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      HXMT项目的建设后期,笔者所带领小组在软件工程技术方面的能力日趋成熟,在保证项目任务按时完成的前提下,逐步将工作重心往大学的教书育人方向转移。前面提到的班主任工作是努力之一,还有课程教学等等。

      跟随前辈的脚步,经过大工程项目的洗礼,笔者更加强烈的意识到发展天文技术的重要性。如果自己从长远来说也要有所作为的话,那么成立独立的课题组乃至实验室是迈出的第一步。

      结合自己在射电、光学及X射线成像方面的一点点经验,笔者把实验室的名称定为多波段成像(Multi-Band Imaging, MBI)实验室。当然,鉴于人员、经费都非常有限,MBI实验室到目前为止都是非官方的。

  • 实验室的主要任务

      实验室的主要任务是通过学术研究来培养人才。人才的培养需要综合考虑学生的个人特点、爱好和未来期望从事的职业等因素,一开始就做好个性化的培养规划。

      比如说,如果学生将来打算做偏科学的学术研究,那么定好课题方向之后,除了专业课的学习,额外的数理基础及编程能力的强化训练是必不可少的,还要求学生广泛参加各种学术报告,甚至参加其它老师的课题,以拓展知识面。另外,鼓励这类学生多发表自己的学术成果,以增强将来寻求职位的竞争力。

      如果学生将来打算到企业或研究所做技术研发,那么培养方案就会有所不同。除了强调数理基础能力之外,底层的技术研发能力是培养重点。比如开发一个软件系统,实验室要求学生对课题涉及的每个算法流程,都能亲手编程实现,而不是调用现成的工具库。学生用Python或Matlab等高级语言快速完成Demo版本的测试和验证之后,还要用C/C++从软件工程的角度实现一个完整的高效率、可移植、可重用版本。两万行代码是学生要通过的第一个训练门槛。技术类学生的培养,除了通过撰写论文提高表达能力之外,还会撰写多种类型的技术报告,并在沟通和项目管理能力方面进行必要的训练。

  • 实验室的研究方向

      MBI实验室以成像技术为核心,以“超高精度图像定位与重建”和“全天区纳秒级响应低频干涉阵”为两个主要的课题研究方向。这些课题既有很高的前沿性和创新性,同时兼顾长远目标和分阶段实现的现实要求。

     例如在“超高精度图像定位与重建”课题中,我们借鉴Mike Shao等人的工作,提出基于Nyquist采样定理和Fredholm积分,来精确描述一个实际的成像系统,并可以重建其各阶扭曲参数,从而为“超高精度图像定位与重建”构建一个扎实的理论框架。根据我们已经获得的成果,在将来实际运行的系统中,可以抛掉复杂昂贵的激光干涉定标单元。技术成熟后,可以用来搜索地外类地行星,研究黑洞附近的吸积盘与喷流的超精细结构。

      课题“全天区纳秒级响应低频干涉阵”的长远目标是建造一个有效接收面积约为10000平方米,空间分辨率为角秒量级,时间响应为纳秒量级,视场为4π立体角的一架超级数字化望远镜。该设备跟国际上下一步要做的一平方公里阵(SKA)相似,但有自己的特色,可以同时观测来自地面以上的天体信号及来自地下的中微子信号。此外,我们也提出了新的图像重建算法。

      这两个课题的硬件门槛很低,关键技术主要体现在算法及实时PB(1015Byte)级数据处理方面。对“超高精度图像定位与重建”课题来说,在实验室里,我们用千元级工业相机及镜头就可以开展毫像素级定位及测量研究;借助已有公开的干涉阵数据,可以对动态天文目标进行微角秒分辨率的成像研究。对“全天区纳秒级响应低频干涉阵”课题来说,我们用树莓派+软件无线电接收机+偶极天线,制作一个接收单元的成本不到2000元。这样的课题非常适合培养、锻炼学生的科研及动手能力。

      这两个课题的成果除了应用到科学探索之外,在民用、航天及军事领域都要非常好的应用价值。例如,我们目前正在开发的技术,可以用普通的500万工业相机及镜头实现亚微米级乃至纳米级的定位测量精度。应用到航天领域,可以让现有的星敏感器的测量精度提高约1000倍。这些应用可以让我国在某些核心技术领域取得领导地位。


      作为一个大学实验室,除了上面规划好的课题。在宽松氛围下进行自由学术探索也是我们极为重视的目标。自由探索带来的学术成果往往更加有趣,更加具有长远的应用价值。


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