科技文明发展的推进器——测控技术及仪器

供稿|侯庆文，赵小燕，刘皓挺，魏清阳，郭祥贵，张玉珍，张天尧

测控技术与仪器专业介绍

测控技术与仪器专业是高等学校本科教育阶段仪器科学的惟一专业。教育部高等教育司于2012年9月正式颁布实施“普通高等学校本科专业目录(2012)”中列出13个学科门类，如理、工、农、医等，每个门类中包含了多个专业，其中第8学科门类为工学，包含31类专业，测控技术与仪器专业为仪器类中的惟一的本科专业，相对应的硕士、博士招生专业为一级学科仪器科学与技术，以及仪器仪表工程专业硕士。

测控技术与仪器研究信息获取、存储、传输和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术，是电子电路、光学、精密机械、计算机与信息技术、自动控制等多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科，是一门如何通过仪器手段感知世界，获取信息并进行自动控制的专业，参与了科学发现的方方面面和人类生活的点点滴滴，培养从事自动检测与控制、光机电仪器与系统的科学研究、应用开发、运行管理工作的工程技术人才。目前全国200余所高校开设了该专业。

测控技术与仪器主要行业应用

测控技术与仪器专业是精密机械、电子工程、计算机、自动控制、工程光学等信息技术交叉的前沿学科，专业面涉及较广，包括机械制图、程序语言设计、电路设计、光学系统设计等诸多领域，应用领域涵盖国防安全、航空航天、生物医学、智慧城市建设等多个方向。

国防安全

测控技术与仪器专业在国防安全现代化建设中扮演着核心角色。人类能看到的可见光在整体电磁波谱中只占有非常少的一部分，只有依靠先进仪器，军队、警察等相关从业人员才能突破人体对世界感知的限制，将各频率段电磁波充分利用，探知周边环境中的危险因素。北京科技大学测控技术与仪器系在电磁波各个频段开展着与国防安全紧密相关的重要科学研究。

“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞”精确描述了可见光频率由低到高的变化。因此在可见光中红光具有最低的频率，这也是频率比红光还低的电磁波被称为红外光的原因。另一方面，人类肉眼无法观测的红外线，却是物体无时无刻不在向外界辐射的电磁波，因此能够感知红外线的仪器应运而生，安检红外摄像头，可以在漆黑的夜晚中清晰地观察到人员的活动；空战电影中的追踪导弹，也是由导弹携带的红外线探测器来追踪目标物的。北京科技大学测控技术与仪器系自主研发了远距离激光夜视仪，如图1所示，设备采用了先进的主动红外照明技术，以军品级别半导体激光照明器作为辅助光源，具有辐射距离远、光斑均匀、成像清晰、使用寿命长等优点，可用于监控距离在3 km内的24 h实时监控需求，配套研发的智能算法可以在全黑的夜间发现监控范围内的人员、车辆、船只等关键目标，协助维护边境安全与社会治安。

图1 北京科技大学测控技术与仪器系自主研制的主动式远距离激光夜视仪：(a) 为夜视仪形态；(b) 为黑夜环境中的机场飞机成像；(c) 为夜晚环境下远距离建筑物“盘古大厦”成像

除了红外检测设备外，北京科技大学测控技术与仪器系还搭建了用于研究太赫兹波的光谱仪，采用飞秒激光与光电导天线结合的产生与探测技术，逐步掀开了太赫兹(THz，1012 Hz)波的神秘面容，介于微波与红外之间的太赫兹波同时携带了微波的传播与穿透能力以及红外的指纹吸收特性，换言之，穿透物质的太赫兹波中携带了该物质的专属特性，通过太赫兹波的探测和解析，可以实现未知物质的检测，这些物质包括爆炸物、毒品、危险气体、生物病毒等，与传统化学分析技术不同的是，太赫兹时域光谱技术是一种非接触式原位探测方式，并且可以探查隐藏在衣物、包装等遮掩物下的危险物质，对机场、车站等公共交通枢纽的安检工作具有重要意义。在磁场利用方面，北京科技大学测控技术与仪器系科研人员研发了先进的地磁匹配导航技术，应用各向异性磁阻(AMR)传感器，设计地磁匹配导航的高精度微型化磁电子罗盘和三轴磁强计，研制出采用磁电子罗盘与三轴磁强计组合的基于地磁场多尺度特征的地磁匹配导航算法，可在卫星导航失效时为车辆提供关键导航信息。

航空航天测控

航空测控是指对航空器工作状态进行故障诊断、预测及健康管理[1]技术的总称。一方面，航空测控需解决传感数据测量问题，包括发动机工作状态监测、航空器机翼表面温度测量、高空天气观测等；另一方面，航空测控也需同时关注航空器飞行状态的控制，包括航空器飞行速度控制、高度调节、姿态调整等。

航天测控[2]则是指完成运载火箭、航天器跟踪测轨、遥测信号接收处理、遥控信号发送任务技术的总称。为对各类航天器工作状态进行监测与控制，需采用先进的传感技术对航天器表面与内部进行各类状态数据的采集与分析，进而了解诸如航天器飞行姿态、运动速度、表面温度、机构振动、材料老化、表面异常等健康状态信息；同时，也需搭建大型地面通信设备及在轨应答系统，使得在轨测量数据能够被安全准确的送至地面。

近年来，随着各类系统的不断成熟，航空航天测控技术的应用在新的领域也有了较大的发展。在测控网应用领域，得益于测控卫星技术的进步，航天测控系统可也被用来解决定位与导航问题，如北斗卫星导航、珠峰高度测量等；而在复杂装置的状态监控领域，伴随着各类故障诊断技术和数据处理方法的发展，复杂装置的“健康管理”技术正在被应用于诸如船舶发动机、精密机床等的传统工业领域。

生物医学检测

生物医学仪器涵盖了生物、医学、物理、化学等多基础学科知识，是声、光、电、机械一体的复杂的装置，广泛应用于生命科学研究和医学诊断治疗，是当代生物医学发展和突破的重要工具，扮演着越来越重要的角色。

图2 航空航天测控系统示意图

生物仪器范围广，例如用于分子生物学样品提取的核酸抽提离心机，用于检测的电泳仪、分光光度计，用于样品保存的冻干机、超低温冰箱，用于组织培养的培养箱等。生物仪器是生物学家的眼睛、手和脑的延伸。例如高分辨率的冷冻电镜能够让科学家解析出蛋白、剪接体等近原子水平的结构，这对未来研究重大疾病机理具有重要意义。

现代医学仪器诞生于19世纪末，1895年德国物理学家伦琴发现X射线，被快速应用于医学诊断，开创了人体影像诊断的先河；1903年荷兰物理学家艾萨文研制成功了第一台心电图仪；1924年法国学者Berger首次测出脑电图；1958年医用超声诊断仪出现，并很快在临床普及，以及后来计算机断层成像(CT)、正电子发射断层成像(PET)、核磁共振成像(MRI)、等大型医学影像设备的普及应用，不用剖开人体就可以获得人体的三维组织结构信息以及代谢功能信息，让我们看清楚“敌人”，做到知己知彼。基于电子束、X射线、伽马射线的肿瘤治疗设备让放射治疗成为了肿瘤治疗的三大手段之一；近年来质子/重离子治疗、硼中子治疗等超大型医疗设备成为了热点，它们能够更加精准的消灭肿瘤。更令人欣慰的是我国已很好地实现了上述大部分高端医疗设备的国产化，如图3为上海联影医疗科技有限公司相关产品。

图3 上海联影医疗科技有限公司相关产品

现代生物医学仪器已广泛应用于诊断、治疗、辅助康复和生命科学研究，保障了人类的健康，极大地造福了人类。随着世界人口老龄化、人均寿命延长、经济发展，未来对医疗仪器需求仍将处于上升趋势。

智慧城市

想象这样的场景：具有智能门禁、业主自动认证、智慧停车等功能的智慧社区；可以根据环境和人流自动调节开关和明暗、为汽车充电和充当网络热点的智能路灯；集一键呼叫、厕位感应、环境监测、人流量检测、智能联动杀菌、自动门锁等功能的智慧公厕；自动感应垃圾存量、无接触扔垃圾、自动开闭盖子的智能垃圾桶……这样的应用场景在日常生活中已经越来越普遍，智慧城市正在变为现实。智慧城市通过互联网把城市中无处不在的智能传感器连接起来以实现对现实城市的全面感知，从而赋予城市更多的智慧，积极服务于城市的建设、社会公民的生活和智能空间人居体验的创新服务，实现如图4中的智慧交通、智慧金融、智慧医疗、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，提升城市品质，优化城市生态，增进民生福祉，达到让城市生活更便捷、环境更宜居的目的。

图4 智慧城市体系架构

智慧城市的发展过程中，交通起着基础性和先导性作用。通过智能交通信号的处理来去达成智慧交通。智慧交通的核心在于车联网，而无人驾驶、自动驾驶可以说是车联网进化的终极形态。车联网即车辆物联网，是利用智能传感技术感知行驶中的车辆的状态信息，借助新一代信息通信技术，实现车与车内、车与车、车与人、路和服务平台之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平。车联网能够为车与车之间的间距提供保障，降低车辆发生碰撞的几率；车联网可以帮助车主实时导航，并通过与其他车辆和网络系统的通信，提高交通运行的效率。有了强大的通讯能力，远程驾驶甚至是自动驾驶就变成了可能。作为车联网进化的终极形态，无人驾驶和自动驾驶近几年来呈现出接近实用化的趋势。无人驾驶和自动驾驶车辆是一个集环境感知、规划决策、多层级执行辅助驾驶等功能于一体的综合系统。其中，智能感知系统对于自动驾驶技术至关重要，它就相当于自动驾驶汽车的五官和大脑，是自动驾驶车辆自主行驶和自主执行任务的前提。相对于人工驾驶汽车而言，自动驾驶汽车不仅能够降低交通事故、拥堵压力和人力成本，减少汽车有害气体排放和能源消耗，而且能够满足如残障人士、孕妇、老年人等特殊乘客的出行需求。

遥感探测

遥感即为“遥远的感知”，是不与探测目标直接接触，利用探测仪器从远处获取目标的电磁波特性，通过信息的处理和分析，揭示出物体的特征特性及其变化的科学及综合性探测技术[3]。传感器是遥感技术系统中数据获取的关键设备，目前搭载在不同遥感平台(如地面观测架、低空无人机和卫星等)的传感器包括光学传感器、微波传感器和激光雷达传感器，其工作波段已经涵盖了可见光、近红外、短波红外、热红外和微波波段。

我们对不同遥感器获取的电磁波信息进行加工处理，能够有效服务于关乎国计民生的农业、能源资源、生态环境、健康等多个领域。比如1987年黑龙江省大兴安岭森林特大火灾中，红外遥感准确确定火源位置、范围以及火源蔓延趋势，为破灭大火提供及时准确的火情信息。此外，利用不同时间或在不同条件下获取的遥感图像，还可以识别和量化地表类型的变化、空间分布状况和变化量(如城市化、海岸线变化、水体监测等)。在全球环境变化备受关注的今天，海量的卫星遥感数据与云平台、机器学习等现代技术相结合用于遥感参量产品的反演过程中，生成各种地球物理化学参数服务于相关行业的应用。

工业生产

工业企业追求精准和高效，对生产过程的实时监测和准确控制是必不可少的，如何运用各种技术与工具延伸对信息捡取、处理、控制和操纵的能力，使生产的产品质量稳定、可靠，成品率高，是生产过程自动化的追求，如数控机床、自动化生产线、机器人装配加工线中定位、转速、扭矩等参数的测量是否准确直接影响加工产品的精度。各种产品质量的检测是保障产品质量的关键，很多企业都研制了适合本企业产品的自动检测设备，例如在图5的高温高压高粉尘密闭环境高炉中，为了“看到”料面的位置和形状，科研人员研究生产了从机械探尺、雷达探尺、红外成像[4]、摆动雷达[5]，到微波多场参数测量仪的多种检测设备，应用了微波与电磁场、信息技术、图像处理、深度学习等多学科知识，为一线生产解决技术难题。

北京科技大学测控技术与仪器

图5 多场参数测量仪应用于高炉生产

北京科技大学具有“仪器科学与技术”一级学科博士学位授予权，本科专业于2017年通过工程教育专业认证，合格毕业生取得仪器仪表专业见习工程师资格。依托北京市工业波谱成像工程技术研究中心，以电磁波谱为主要的信息获取途径，定位于信息获取的理论及物化技术，实现信息的智能感知，专业开展先进传感、工业微波、太赫兹波谱、高光谱遥感、人机交互、物联网、定位与导航、自动驾驶等研究，承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技重大专项、企业攻关等研究项目。

专业主要设置电子电路、微机原理、程序设计、自动检测、参数测量、计算机网络、信号处理、控制理论及控制系统、可编程控制器、单片机、智能仪器等40余门课程。在校学生是我校参加全国大学生机器人大赛、全国大学生“飞思卡尔”杯智能车等竞赛的主力队员，获得多项全国及国际赛冠军。

学生本科毕业后，大部分在国内外继续深造，除本校外，还有进入清华大学、北京大学、中国科学院大学、浙江大学、东南大学、香港大学等校学习。国外大学有美国卡内基梅隆大学、加州伯克利大学、澳大利亚墨尔本大学、悉尼大学，英国布里斯托大学、谢菲尔德大学，德国慕尼黑工业大学，日本东京大学、大阪大学、法国奥尔良工程师学院等。主要就业单位包括中国航天科技集团、中国航空工业集团、中国船舶、中软国际、海康威视、首汽集团、比亚迪、汉能控股公司等。

结束语

从水银温度计的接触式测温到今年疫情期间遍布街巷入口的非接触AI智能测温，从传统带着长长线缆的各种测量仪表到无线传感网络，从医院排队门诊看医生到远程医疗，测控技术与仪器随着智能感知技术、无线通讯技术等新技术的发展，正顺应时代的趋势，朝着微型化、智能化和网络化的方向发展，在国防安全、智能制造以及人们的日常生活中扮演更重要的角色。