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(shù)與儀器專業(yè)介紹

測控技術(shù)與儀器專業(yè)是高等學(xué)校本科教育階段儀器科學(xué)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(xué)校本科專業(yè)目錄(2012)”中列出13個學(xué)科門類，如理、工、農(nóng)、醫(yī)等，每個門類中包含了多個專業(yè)，其中第8學(xué)科門類為工學(xué)，包含31類專業(yè)，測控技術(shù)與儀器專業(yè)為儀器類中的惟一的本科專業(yè)，相對應(yīng)的碩士、博士招生專業(yè)為一級學(xué)科儀器科學(xué)與技術(shù)，以及儀器儀表工程專業(yè)碩士。

測控技術(shù)與儀器研究信息獲取、存儲、傳輸和處理，以及對相關(guān)要素進行控制的理論與技術(shù)，是電子電路、光學(xué)、精密機械、計算機與信息技術(shù)、自動控制等多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)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(xué)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(xué)研究、應(yīng)用開發(fā)、運行管理工作的工程技術(shù)人才。目前全國200余所高校開設(shè)了該專業(yè)。

測控技術(shù)與儀器主要行業(yè)應(yīng)用

測控技術(shù)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(xué)等信息技術(shù)交叉的前沿學(xué)科，專業(yè)面涉及較廣，包括機械制圖、程序語言設(shè)計、電路設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋國防安全、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、智慧城市建設(shè)等多個方向。

國防安全

測控技術(shù)與儀器專業(yè)在國防安全現(xiàn)代化建設(shè)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(guān)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(xué)測控技術(shù)與儀器系在電磁波各個頻段開展著與國防安全緊密相關(guān)的重要科學(xué)研究。

“赤橙黃綠青藍紫，誰持彩練當(dāng)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(yīng)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(dǎo)彈，也是由導(dǎo)彈攜帶的紅外線探測器來追蹤目標(biāo)物的。北京科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器系自主研發(fā)了遠距離激光夜視儀，如圖1所示，設(shè)備采用了先進的主動紅外照明技術(shù)，以軍品級別半導(dǎo)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(nèi)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(nèi)的人員、車輛、船只等關(guān)鍵目標(biāo)，協(xié)助維護邊境安全與社會治安。

圖1 北京科技大學(xué)測控技術(shù)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(shè)備外，北京科技大學(xué)測控技術(shù)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(dǎo)天線結(jié)合的產(chǎn)生與探測技術(shù)，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(zhì)的太赫茲波中攜帶了該物質(zhì)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(zhì)的檢測，這些物質(zhì)包括爆炸物、毒品、危險氣體、生物病毒等，與傳統(tǒng)化學(xué)分析技術(shù)不同的是，太赫茲時域光譜技術(shù)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(zhì)，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(xué)測控技術(shù)與儀器系科研人員研發(fā)了先進的地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)，應(yīng)用各向異性磁阻(AMR)傳感器，設(shè)計地磁匹配導(dǎo)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(dǎo)航算法，可在衛(wèi)星導(dǎo)航失效時為車輛提供關(guān)鍵導(dǎo)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(yù)測及健康管理[1]技術(shù)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(guān)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(diào)節(jié)、姿態(tài)調(diào)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(wù)技術(shù)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(shù)對航天器表面與內(nèi)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(gòu)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(shè)備及在軌應(yīng)答系統(tǒng)，使得在軌測量數(shù)據(jù)能夠被安全準(zhǔn)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(shù)的應(yīng)用在新的領(lǐng)域也有了較大的發(fā)展。在測控網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，得益于測控衛(wèi)星技術(shù)的進步，航天測控系統(tǒng)可也被用來解決定位與導(dǎo)航問題，如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、珠峰高度測量等；而在復(fù)雜裝置的狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，伴隨著各類故障診斷技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，復(fù)雜裝置的“健康管理”技術(shù)正在被應(yīng)用于諸如船舶發(fā)動機、精密機床等的傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域。

生物醫(yī)學(xué)檢測

生物醫(yī)學(xué)儀器涵蓋了生物、醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等多基礎(chǔ)學(xué)科知識，是聲、光、電、機械一體的復(fù)雜的裝置，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)診斷治療，是當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)家解析出蛋白、剪接體等近原子水平的結(jié)構(gòu)，這對未來研究重大疾病機理具有重要意義。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器誕生于19世紀末，1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，被快速應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，開創(chuàng)了人體影像診斷的先河；1903年荷蘭物理學(xué)家艾薩文研制成功了第一臺心電圖儀；1924年法國學(xué)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(xué)影像設(shè)備的普及應(yīng)用，不用剖開人體就可以獲得人體的三維組織結(jié)構(gòu)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射線、伽馬射線的腫瘤治療設(shè)備讓放射治療成為了腫瘤治療的三大手段之一；近年來質(zhì)子/重離子治療、硼中子治療等超大型醫(yī)療設(shè)備成為了熱點，它們能夠更加精準(zhǔn)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(shè)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(guān)產(chǎn)品。

圖3 上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司相關(guān)產(chǎn)品

現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器已廣泛應(yīng)用于診斷、治療、輔助康復(fù)和生命科學(xué)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(diào)節(jié)開關(guān)和明暗、為汽車充電和充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)熱點的智能路燈；集一鍵呼叫、廁位感應(yīng)、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(yīng)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(yīng)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(wù)于城市的建設(shè)、社會公民的生活和智能空間人居體驗的創(chuàng)新服務(wù)，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(zhì)，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(gòu)

智慧城市的發(fā)展過程中，交通起著基礎(chǔ)性和先導(dǎo)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(shù)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(shù)，實現(xiàn)車與車內(nèi)、車與車、車與人、路和服務(wù)平臺之間的網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)航，并通過與其他車輛和網(wǎng)絡(luò)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(shù)至關(guān)重要，它就相當(dāng)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(wù)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(biāo)直接接觸，利用探測儀器從遠處獲取目標(biāo)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(xué)及綜合性探測技術(shù)[3]。傳感器是遙感技術(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)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(xué)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(wù)于關(guān)乎國計民生的農(nóng)業(yè)、能源資源、生態(tài)環(huán)境、健康等多個領(lǐng)域。比如1987年黑龍江省大興安嶺森林特大火災(zāi)中，紅外遙感準(zhǔn)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(zhǔn)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(guān)注的今天，海量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與云平臺、機器學(xué)習(xí)等現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)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(xué)參數(shù)服務(wù)于相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。

工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)企業(yè)追求精準(zhǔn)和高效，對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和準(zhǔn)確控制是必不可少的，如何運用各種技術(shù)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(zhì)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(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的測量是否準(zhǔn)確直接影響加工產(chǎn)品的精度。各種產(chǎn)品質(zhì)量的檢測是保障產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)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(shè)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(shè)備，應(yīng)用了微波與電磁場、信息技術(shù)、圖像處理、深度學(xué)習(xí)等多學(xué)科知識，為一線生產(chǎn)解決技術(shù)難題。

北京科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器

圖5 多場參數(shù)測量儀應(yīng)用于高爐生產(chǎn)

北京科技大學(xué)具有“儀器科學(xué)與技術(shù)”一級學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)，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(xí)工程師資格。依托北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)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(shù)，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(dǎo)航、自動駕駛等研究，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項、企業(yè)攻關(guān)等研究項目。

專業(yè)主要設(shè)置電子電路、微機原理、程序設(shè)計、自動檢測、參數(shù)測量、計算機網(wǎng)絡(luò)、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(xué)生是我校參加全國大學(xué)生機器人大賽、全國大學(xué)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(xué)生本科畢業(yè)后，大部分在國內(nèi)外繼續(xù)深造，除本校外，還有進入清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、香港大學(xué)等校學(xué)習(xí)。國外大學(xué)有美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、加州伯克利大學(xué)、澳大利亞墨爾本大學(xué)、悉尼大學(xué)，英國布里斯托大學(xué)、謝菲爾德大學(xué)，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)，日本東京大學(xué)、大阪大學(xué)、法國奧爾良工程師學(xué)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(jié)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(luò)，從醫(yī)院排隊門診看醫(yī)生到遠程醫(yī)療，測控技術(shù)與儀器隨著智能感知技術(shù)、無線通訊技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，正順應(yīng)時代的趨勢，朝著微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)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。