田书林：推动电子仪器领域深刻变革
- 2014/1/16 11:20:48 6993
- 来源：仪表网
摘要：“宽带复杂信号的实时捕获与合成技术”荣获2013年国家技术发明二等奖。该项目针对信号实时捕获与合成技术中的高采样率、高捕获率、高精度同步等技术难题，发明了非均匀校正的大规模并行采样技术、基于信息熵的无缝测量方法、精密时钟分配以及内嵌相位校准技术，成功研制了一系列达到先进水平的高性能测试仪器，打破了国外垄断和封锁，改变了我国宽带复杂信号实时捕获与合成技术长期受制于人的局面。
仪表网讯 “宽带复杂信号的实时捕获与合成技术”荣获2013年国家技术发明二等奖。该项目针对信号实时捕获与合成技术中的高采样率、高捕获率、高精度同步等技术难题，发明了非均匀校正的大规模并行采样技术、基于信息熵的无缝测量方法、精密时钟分配以及内嵌相位校准技术，成功研制了一系列达到先进水平的高性能测试仪器，打破了国外垄断和封锁，改变了我国宽带复杂信号实时捕获与合成技术长期受制于人的局面。
该项目完成人为电子科技大学自动化学院田书林教授团队。
打破技术垄断多项指标
记者：田教授您好，恭喜您的团队获得国家技术发明二等奖。请问“宽带复杂信号实时捕获与合成技术”面对的是什么样的技术需求？
田书林：宽带复杂信号的实时捕获与合成技术是推动电子仪器领域深刻变革的技术。随着电子系统频率越来越高以及电子信号复杂度的急剧上升，对电子测试及仪器技术提出了新的挑战，而宽带复杂信号的实时捕获与合成技术就是其中的核心。
现代科学研究和国家重大工程对宽带复杂信号的捕获与合成技术的需求十分迫切。例如，要评估大型爆轰试验的效果，就须对预定球面空间中的100多路持续时间极短、带宽数GHz的瞬态信号进行精密的、同步的测量分析；在雷达等电子系统中，要对偶发干扰进行长时间的无缝测量并以此为基础分析和排除故障，也需要借助这种技术。
因此，多路、宽带、复杂信号的同步、实时、无缝捕获与合成技术是反映国家科学研究基础能力的重要共性技术。然而，由于目前上只有美国等少数国家掌握这种技术并实行技术垄断和封锁，以致我国在该项技术上长期受制于人，对相关科学研究和国家重大工程形成极大的制约。
据统计，电子仪器产业的产值超过千亿美元，其中基于复杂信号捕获与合成技术的示波器、信号发生器等时域仪器占比超过50%，这表明了该技术在整个电子仪器领域的重要和基础性地位。今天，我们在该项技术上取得的突破性进展，对提高我国电子测试技术的整体水平，推动电子仪器行业的技术进步，具有十分重要的意义。
记者：既然目前只有美国等少数国家掌握这项技术，想必其难度是极大的。那么，您的团队又是如何攻克这个难题的呢？
田书林：的确，该技术一直是测试领域公认的难题。这是因为，实现宽带复杂信号实时捕获与合成技术，其核心是提高采样率和处理速度，而器件性能的提升根本无法应对信号带宽、波形任意化程度的急剧上升；多路信号之间高皮秒量级的精密同步要求已接近系统时钟抖动，以至于传统技术手段无能为力。
针对高采样率、高捕获率、高精度同步等技术难题，我们通过方法创新突破了器件的瓶颈，利用国产核心器件成功实现了相关测试设备的研制，从而打破了国外垄断和封锁。主要发明创新包括：
，提出了非均匀校正的大规模并行采样方法。针对规模化ADC组时间交替采集可能引入的非均匀采样问题，提出了大规模并行（20路）下非均匀性失真的表征与自适应信号重建方法，突破了单个采样器件的性能瓶颈，实现了数十倍于单个器件性能的采样率，利用国产器件使实时采样率达到20GHz，突破了国外的禁运和封锁。
第二，提出了基于信息熵的无缝测量方法。对宽带信号长时间无缝测量是确保获取信号随机、偶发特征的基础，但在高采样率下的长时间无缝测量，会带来有限存储容量与极度膨胀的信息量的矛盾，传统方法是难以克服的。因此我们发明了基于信息熵的无缝测量方法，解决了这个难题，实现了高每秒200万幅的波形捕获率，高出当前高指标一倍，居于水平。
第三，提出内嵌式相位校准和主动补偿方法，发明多通道精密信号同步技术，突破了布局布线和时钟抖动的制约，实现了100皮秒内的同步精度（目前仅美国安捷伦公司达到相同指标），解决了多目标信号合成的核心难题，在飞机防撞测试应用中，模拟出多达154个不同方位、高度和距离的飞行目标信号，达到目前国外商用机载防撞系统（TCAS）测试设备美国Aeroflex公司IRIS2000水平。
实现产业应用闪亮登上世界舞台
记者：这项技术是否已在我国实现产业化并得到广泛应用呢？
田书林：已经应用好几年了。我们在这项技术上取得了一系列应用成果，这些成果是在项目过程中不同时间段陆续形成的，部分成果已经通过校企合作实现了产业化和应用。例如，我们研制出的高性能示波器、任意波形发生器等仪器，经仪器仪表制造商优利德量产，新增产值6.44亿元，产品约30%远销美国、德国、巴西等国家，使我国从该类仪器的完全进口国跃居为重要出口国。
在国内，成果被成功应用于现代雷达、军民通信、航空电子、深空探测、模拟核爆等众多涉及复杂信号的领域，为科学研究和国家重大工程提供了有力支撑。例如，在爆轰试验中，它解决了飞片轨迹等瞬态信息的获取问题；在深空探测中，它实现了深空波形的捕获，大幅提高了探测目标精度；在国产大飞机、大型运输机和新型战机中，它有效解决了重大机载装备的研制和保障难题。
同时，在项目研究过程中，我们还作为负责单位制定了GB/T15289等3项电子仪器国家标准和2项军用标准；申请发明68项（美国1项），授权41项，获转让费858万元；登记软件著作权3项；在IEEE等刊物发表SCI/EI论文65篇；获省部级一等奖3项。
记者：这项技术在部分指标上已经超过美国，是否意味着我国的该类电子仪器在功能和价格上都具有了比较优势？
田书林：我们在宽带信号的无缝测量等部分技术上达到了水平，产品部分技术指标高于当前同类高产品。而且，由于我们通过技术创新，利用低性能器件大规模并行实现更高的系统性能，产品在性价比方面与国外相比具有较大的优势。
但电子仪器技术属于一项复杂的系统技术，涉及到材料、器件、工艺、系统设计等方方面面。尽管我们在部分技术上做到了，但就整体能力和水平而言依然存在一定的差距。因此，在这份荣誉面前，我们真的不能有丝毫的自满和懈怠。一方面，技术发展到这个水平，再往后面走，越走越困难，要有新的突破不仅需要付出更多的努力，而且更加依赖原始创新；另一方面，我们面临着一个激烈竞争的环境，犹如逆水行舟，不进则退，国外也不会原地踏步等我们来追赶，他们已经在研究更先进的技术、更高指标的系统，赶超的任务十分艰巨。但即便如此，我们也会义无反顾地继续走下去，努力提升创新能力，争取使我们在该技术领域能够站得更高、走得更远。
加强基础研究继续提升创新能力
记者：那么，如何提高整体的创新能力呢？您对本年度的国家科学技术奖有什么整体印象，我国的创新能力是否有所提升？
田书林：今年的科学技术奖获奖项目表明，我国在基础研究、农业科技、重大科学工程和基础设施建设、战略性新兴产业、国防与国家安全领域以及医药卫生、环境保护、能源资源与安全等群众普遍关注的领域都取得了巨大突破，让人十分振奋。
尤其值得一提的是，国家自然科技奖一等奖在连续三年空缺之后，终于在今年被中国科学院院士赵忠贤等人完成的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”摘取。自然科学奖被视为基础研究水平的象征，自然科学一等奖的诞生也标志着我国基础研究水平的提升。
实际上，近年来国家自然科学奖获奖项目在数量和比例结构上，每年都有大幅增长。2009年有28项，2010年是30项、2011年是36项，今年的数量则增加到41项。从奖项的结构看，国家自然科学奖、技术发明奖和科技进步奖等三大奖项的比例从2011年的10%、15%、75%调整为今年的15%、25%、60%，结构趋于合理。这一结构变化表明，基础研究和原始创新越来越受到重视和加强。
就国家科技进步奖看，一方面进步奖的总数和比重逐年减少，另一方面获奖完成单位中企业占比显著提高。这一变化表明，随着我国整体科技水平的提升，企业作为创新主体的地位正在逐步强化，高校与企业在科学技术领域各自的关注重点也逐步与接轨，更趋合理。因此，作为一所研究型大学，我们应该更加专注于基础研究和前沿技术，努力提高原始创新能力。
记者：既然基础研究和技术创新对我们如此重要，请问从学校、学院或团队层面，您认为应该怎么做？
田书林：强化基础研究已经成为理工科学校的共识，现在的问题就在于如何做。我们学校是一个在电子信息领域具有传统优势的高校，但学科单一极大制约了我们在基础研究上的表现。要突破这一困局，必须从“根”上从手，大力和大跨度拓展学科，实现从“电子行业”到“行业电子”的转变，做到“根深、枝繁、叶茂”。近年来，学校在学科拓展方面的诸多举措，可谓是对症下药，对我们的基础研究和学科水平的提升意义重大。
自动化工程学院的仪器科学与技术、控制科学与工程两个学科，都具有应用性极强、与背景学科关联性高、学科渗透性强的特点。为了进一步强化特色、巩固优势，首先我们要继续狠抓大团队建设。建设大团队对于承担重大工程项目和解决重大技术难题，其重要性不言而喻。同时，从应用需求中发现本领域的科学问题和重大技术难题，从而持续投入经费和力量展开研究，大团队具有突出的优势。因此，大团队建设也是加强基础研究的一种极为有效的途径。
我们团队以“电子科技大学测试技术与仪器研究所”为主体，从“八五”开始在陈光踽教授带领下起步，在王厚军、黄建国教授等的共同努力下发展壮大，经过二十多年的建设，形成了拥有专任教师和研究人员近40人、年研究经费近3000万的集体。“坚持、创新、协作、包容”是团队发展的秘诀。尽管我们团队取得了一些成绩，但基础研究相对薄弱也是制约我们发展的一个瓶颈问题。为此，我们近几年已着手逐步调整研究布局，坚持基础和应用两手抓，着力提高创新能力和学术水平。
为了加强基础研究，进一步提高创新能力，无论是学院还是我们团队，下一步都要大力推进学科交叉，充分发挥我们学科适应面宽、渗透性强的优势，在交叉应用中寻求新的学术增长点；此外，还要坚持不懈地推进海外人才引进工作，弥补我们在前沿研究方面的不足。我相信，通过不断努力，我们的基础研究和创新能力一定会逐步提升，为建设创新型国家做出更多贡献。
【田书林简介】
现任电子科技大学自动化工程学院院长、电子测试技术与仪器教育部工程研究中心主任、国家电子测量仪器标准化技术委员会委员。长期从事测控技术与仪器领域的教学与研究，在宽带实时信号获取与处理、高速波形合成、电子系统综合测试诊断与预测、电子系统可测性设计、网络/通信测试等研究方向上，先后主持和承担国家自然科学基金重点、国防基础科研、博士点基金等国家和部委研究课题20多项。2005年获“第八届四川省青年科技奖”，2006年入选“教育部新世纪人才支持计划”；获省部级科技进步奖11项，其中一等奖3项；主持制定《GB/T15289数字存储示波器通用规范》等电子仪器国家标准3项；在IEEETrans.、电子学报、仪器仪表学报等国内外重要学术期刊发表论文50余篇，获授权国家发明20余项，撰写《现代测试技术》等国家规划教材和专著3部。2013年，与团队研发的“宽带复杂信号的实时捕获与合成技术”荣获国家技术发明二等奖。
打破技术垄断多项指标
记者：田教授您好，恭喜您的团队获得国家技术发明二等奖。请问“宽带复杂信号实时捕获与合成技术”面对的是什么样的技术需求？
田书林：宽带复杂信号的实时捕获与合成技术是推动电子仪器领域深刻变革的技术。随着电子系统频率越来越高以及电子信号复杂度的急剧上升，对电子测试及仪器技术提出了新的挑战，而宽带复杂信号的实时捕获与合成技术就是其中的核心。
现代科学研究和国家重大工程对宽带复杂信号的捕获与合成技术的需求十分迫切。例如，要评估大型爆轰试验的效果，就须对预定球面空间中的100多路持续时间极短、带宽数GHz的瞬态信号进行精密的、同步的测量分析；在雷达等电子系统中，要对偶发干扰进行长时间的无缝测量并以此为基础分析和排除故障，也需要借助这种技术。
因此，多路、宽带、复杂信号的同步、实时、无缝捕获与合成技术是反映国家科学研究基础能力的重要共性技术。然而，由于目前上只有美国等少数国家掌握这种技术并实行技术垄断和封锁，以致我国在该项技术上长期受制于人，对相关科学研究和国家重大工程形成极大的制约。
据统计，电子仪器产业的产值超过千亿美元，其中基于复杂信号捕获与合成技术的示波器、信号发生器等时域仪器占比超过50%，这表明了该技术在整个电子仪器领域的重要和基础性地位。今天，我们在该项技术上取得的突破性进展，对提高我国电子测试技术的整体水平，推动电子仪器行业的技术进步，具有十分重要的意义。
记者：既然目前只有美国等少数国家掌握这项技术，想必其难度是极大的。那么，您的团队又是如何攻克这个难题的呢？
田书林：的确，该技术一直是测试领域公认的难题。这是因为，实现宽带复杂信号实时捕获与合成技术，其核心是提高采样率和处理速度，而器件性能的提升根本无法应对信号带宽、波形任意化程度的急剧上升；多路信号之间高皮秒量级的精密同步要求已接近系统时钟抖动，以至于传统技术手段无能为力。
针对高采样率、高捕获率、高精度同步等技术难题，我们通过方法创新突破了器件的瓶颈，利用国产核心器件成功实现了相关测试设备的研制，从而打破了国外垄断和封锁。主要发明创新包括：
，提出了非均匀校正的大规模并行采样方法。针对规模化ADC组时间交替采集可能引入的非均匀采样问题，提出了大规模并行（20路）下非均匀性失真的表征与自适应信号重建方法，突破了单个采样器件的性能瓶颈，实现了数十倍于单个器件性能的采样率，利用国产器件使实时采样率达到20GHz，突破了国外的禁运和封锁。
第二，提出了基于信息熵的无缝测量方法。对宽带信号长时间无缝测量是确保获取信号随机、偶发特征的基础，但在高采样率下的长时间无缝测量，会带来有限存储容量与极度膨胀的信息量的矛盾，传统方法是难以克服的。因此我们发明了基于信息熵的无缝测量方法，解决了这个难题，实现了高每秒200万幅的波形捕获率，高出当前高指标一倍，居于水平。
第三，提出内嵌式相位校准和主动补偿方法，发明多通道精密信号同步技术，突破了布局布线和时钟抖动的制约，实现了100皮秒内的同步精度（目前仅美国安捷伦公司达到相同指标），解决了多目标信号合成的核心难题，在飞机防撞测试应用中，模拟出多达154个不同方位、高度和距离的飞行目标信号，达到目前国外商用机载防撞系统（TCAS）测试设备美国Aeroflex公司IRIS2000水平。
实现产业应用闪亮登上世界舞台
记者：这项技术是否已在我国实现产业化并得到广泛应用呢？
田书林：已经应用好几年了。我们在这项技术上取得了一系列应用成果，这些成果是在项目过程中不同时间段陆续形成的，部分成果已经通过校企合作实现了产业化和应用。例如，我们研制出的高性能示波器、任意波形发生器等仪器，经仪器仪表制造商优利德量产，新增产值6.44亿元，产品约30%远销美国、德国、巴西等国家，使我国从该类仪器的完全进口国跃居为重要出口国。
在国内，成果被成功应用于现代雷达、军民通信、航空电子、深空探测、模拟核爆等众多涉及复杂信号的领域，为科学研究和国家重大工程提供了有力支撑。例如，在爆轰试验中，它解决了飞片轨迹等瞬态信息的获取问题；在深空探测中，它实现了深空波形的捕获，大幅提高了探测目标精度；在国产大飞机、大型运输机和新型战机中，它有效解决了重大机载装备的研制和保障难题。
同时，在项目研究过程中，我们还作为负责单位制定了GB/T15289等3项电子仪器国家标准和2项军用标准；申请发明68项（美国1项），授权41项，获转让费858万元；登记软件著作权3项；在IEEE等刊物发表SCI/EI论文65篇；获省部级一等奖3项。
记者：这项技术在部分指标上已经超过美国，是否意味着我国的该类电子仪器在功能和价格上都具有了比较优势？
田书林：我们在宽带信号的无缝测量等部分技术上达到了水平，产品部分技术指标高于当前同类高产品。而且，由于我们通过技术创新，利用低性能器件大规模并行实现更高的系统性能，产品在性价比方面与国外相比具有较大的优势。
但电子仪器技术属于一项复杂的系统技术，涉及到材料、器件、工艺、系统设计等方方面面。尽管我们在部分技术上做到了，但就整体能力和水平而言依然存在一定的差距。因此，在这份荣誉面前，我们真的不能有丝毫的自满和懈怠。一方面，技术发展到这个水平，再往后面走，越走越困难，要有新的突破不仅需要付出更多的努力，而且更加依赖原始创新；另一方面，我们面临着一个激烈竞争的环境，犹如逆水行舟，不进则退，国外也不会原地踏步等我们来追赶，他们已经在研究更先进的技术、更高指标的系统，赶超的任务十分艰巨。但即便如此，我们也会义无反顾地继续走下去，努力提升创新能力，争取使我们在该技术领域能够站得更高、走得更远。
加强基础研究继续提升创新能力
记者：那么，如何提高整体的创新能力呢？您对本年度的国家科学技术奖有什么整体印象，我国的创新能力是否有所提升？
田书林：今年的科学技术奖获奖项目表明，我国在基础研究、农业科技、重大科学工程和基础设施建设、战略性新兴产业、国防与国家安全领域以及医药卫生、环境保护、能源资源与安全等群众普遍关注的领域都取得了巨大突破，让人十分振奋。
尤其值得一提的是，国家自然科技奖一等奖在连续三年空缺之后，终于在今年被中国科学院院士赵忠贤等人完成的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”摘取。自然科学奖被视为基础研究水平的象征，自然科学一等奖的诞生也标志着我国基础研究水平的提升。
实际上，近年来国家自然科学奖获奖项目在数量和比例结构上，每年都有大幅增长。2009年有28项，2010年是30项、2011年是36项，今年的数量则增加到41项。从奖项的结构看，国家自然科学奖、技术发明奖和科技进步奖等三大奖项的比例从2011年的10%、15%、75%调整为今年的15%、25%、60%，结构趋于合理。这一结构变化表明，基础研究和原始创新越来越受到重视和加强。
就国家科技进步奖看，一方面进步奖的总数和比重逐年减少，另一方面获奖完成单位中企业占比显著提高。这一变化表明，随着我国整体科技水平的提升，企业作为创新主体的地位正在逐步强化，高校与企业在科学技术领域各自的关注重点也逐步与接轨，更趋合理。因此，作为一所研究型大学，我们应该更加专注于基础研究和前沿技术，努力提高原始创新能力。
记者：既然基础研究和技术创新对我们如此重要，请问从学校、学院或团队层面，您认为应该怎么做？
田书林：强化基础研究已经成为理工科学校的共识，现在的问题就在于如何做。我们学校是一个在电子信息领域具有传统优势的高校，但学科单一极大制约了我们在基础研究上的表现。要突破这一困局，必须从“根”上从手，大力和大跨度拓展学科，实现从“电子行业”到“行业电子”的转变，做到“根深、枝繁、叶茂”。近年来，学校在学科拓展方面的诸多举措，可谓是对症下药，对我们的基础研究和学科水平的提升意义重大。
自动化工程学院的仪器科学与技术、控制科学与工程两个学科，都具有应用性极强、与背景学科关联性高、学科渗透性强的特点。为了进一步强化特色、巩固优势，首先我们要继续狠抓大团队建设。建设大团队对于承担重大工程项目和解决重大技术难题，其重要性不言而喻。同时，从应用需求中发现本领域的科学问题和重大技术难题，从而持续投入经费和力量展开研究，大团队具有突出的优势。因此，大团队建设也是加强基础研究的一种极为有效的途径。
我们团队以“电子科技大学测试技术与仪器研究所”为主体，从“八五”开始在陈光踽教授带领下起步，在王厚军、黄建国教授等的共同努力下发展壮大，经过二十多年的建设，形成了拥有专任教师和研究人员近40人、年研究经费近3000万的集体。“坚持、创新、协作、包容”是团队发展的秘诀。尽管我们团队取得了一些成绩，但基础研究相对薄弱也是制约我们发展的一个瓶颈问题。为此，我们近几年已着手逐步调整研究布局，坚持基础和应用两手抓，着力提高创新能力和学术水平。
为了加强基础研究，进一步提高创新能力，无论是学院还是我们团队，下一步都要大力推进学科交叉，充分发挥我们学科适应面宽、渗透性强的优势，在交叉应用中寻求新的学术增长点；此外，还要坚持不懈地推进海外人才引进工作，弥补我们在前沿研究方面的不足。我相信，通过不断努力，我们的基础研究和创新能力一定会逐步提升，为建设创新型国家做出更多贡献。
【田书林简介】
现任电子科技大学自动化工程学院院长、电子测试技术与仪器教育部工程研究中心主任、国家电子测量仪器标准化技术委员会委员。长期从事测控技术与仪器领域的教学与研究，在宽带实时信号获取与处理、高速波形合成、电子系统综合测试诊断与预测、电子系统可测性设计、网络/通信测试等研究方向上，先后主持和承担国家自然科学基金重点、国防基础科研、博士点基金等国家和部委研究课题20多项。2005年获“第八届四川省青年科技奖”，2006年入选“教育部新世纪人才支持计划”；获省部级科技进步奖11项，其中一等奖3项；主持制定《GB/T15289数字存储示波器通用规范》等电子仪器国家标准3项；在IEEETrans.、电子学报、仪器仪表学报等国内外重要学术期刊发表论文50余篇，获授权国家发明20余项，撰写《现代测试技术》等国家规划教材和专著3部。2013年，与团队研发的“宽带复杂信号的实时捕获与合成技术”荣获国家技术发明二等奖。
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