光电技术篇 | 南京理工大学科技成果选编

芯片集成组件应用   系统成像效果图

红外图像信号处理芯片（IRISP芯片）是实现红外探测器信号获取、复原、降噪、增强、编解码等功能于一体的专用集成电路，其性能优劣直接决定了红外成像系统的清晰度、灵敏度、动态范围以及稳定性。成果攻克了-dB信号噪声处理、无挡片非均匀性校正、反向非线性自适应拉伸增强等技术，研制了内嵌eFPGA、-dB信号噪声处理IP核、无挡片非均匀性校正IP核、反向非线性自适应拉伸增强IP核的通用型IRISP芯片，实现了不同厂家、不同红外探测器接口的兼容，功耗比同性能进口FPGA降低40%～60%，成本降至1/20，未来将完全替代需要编程的FPGA，大幅度降低红外成像系统的开发难度、体积和成本。该芯片打破了红外图像信号处理没有高端ISP芯片可用的窘境，实现了复杂图像处理技术由“通用软核”向“专用硬核”的跨越式发展。成果已在北方夜视科技（南京）研究院、苏州零度感知科技、浙江兆晟科技等企业得到应用。相较于目前FPGA信号处理系统，该芯片在体积，功耗，成本方面均具备优势，拥有极佳的市场前景，实现了红外热像仪核心处理芯片的国产化，未来预计将全面替换红外成像系统中的美国通用信号处理芯片（FPGA）。

红外成像系统的应用领域广泛，其中不乏环境严苛的场景，比如强热背景下需要对弱目标进行探测。动态范围是评价热成像设备能够同时探测强热和微弱目标范围能力的指标，然而，当前并不具备红外成像系统动态范围测试的装备，严重制约了红外成像系统的性能评价准确性和应用领域。针对上述难题，项目团队提出了系统“温度-灰度”响应曲线并进行拟合计算的系统动态范围测试方法，搭建了国内外首台可直接对红外热成像系统进行动态范围测试的仪器，建立了一套热成像系统动态范围测试标准，为红外热成像设备的动态范围指标测试提供了理论依据和测试仪器。该仪器温度覆盖-30℃～1000℃范围，动态范围测试指标达90dB以上，测试重复稳定性±1%以内，具备高性能动态范围（DR）、噪声等效温差（NETD）测试功能，提升了热成像性能评价的全面性。相关成果在2024年获得第三届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖，在红外成像测试方面得到了行业内5家以上单位的试用和良好评价，为红外计量技术的发展提供了重要支撑。

本成果针对红外成像系统非均匀性噪声实时退化、红外图像质量较低的难题，提出了无源混叠非均匀性校正和反向非线性自适应增强技术，创新了基于多域多维目标信息感知与非均匀性噪声特征挖掘技术，通过从时、空、频多域深入挖掘目标和非均匀性噪声在强度、梯度、尺度、方向、稀疏性等表现出的多维特性差异，构建校正模型并优化求解过程，突破了传统无源校正场景泛化能力弱、混叠非均匀性噪声校正能力弱、计算效率低的难题，克服了有源校正不定期遮挡带来的“盲视”问题；创新了基于反向拉伸的动态范围调整技术，对高低辐射区域自适应分配动态范围拉伸程度，突破了传统的红外图像增强技术在抑制噪声的同时不能有效地增强细节，或者在增强细节的同时会放大噪声的难题，开发的基于FPGA的图像处理算法IP模块达到了国际先进水平，具备与国内外同类技术相比的核心竞争力，已应用于包括华为、北方夜视等单位，成果支撑了光学工程学会技术发明一等奖。

针对红外图像灰度信息单一、细节缺失、传统彩色方法目标结构易失真及小目标丢失等问题，提出了一种基于多光谱数据驱动的红外图像自然彩色化方法。该方法从数据源头融合高光谱先验信息，将红外图像光谱通道由单维扩展为多维特征表达；同时优化网络结构，构建新型多阶段无监督自注意力生成对抗网络，并融入光谱自注意力机制，实现多波段特征协同建模与光谱相关性深度挖掘，有效减少邻域间语义特征混淆，提升图像语义完整性与视觉感知效果。红外彩色化图像接近可见光传感器水平，实现了红外灰度视觉向自然彩色视觉的高保真跨模态迁移。相比国内外同类产品，本成果在色彩还原精度、目标识别率及复杂场景适应性方面具有显著优势，已在南京北方卫星导航检测认证中心得到验证，可广泛应用于夜间监控、智能安防、无人驾驶等领域。

设备放置       光源软件页面

在空间遥感监测领域，天基星载光电探测器的长期在轨运行会因器件老化、空间辐射等因素导致探测器性能逐渐衰减。为确保星载探测器在目标探测波段、响应强度、灵敏性长时间的工作状态稳定，亟需建立一套能够实现远程高频次辐射定标的技术方案，从而及时对探测器特性修正，保障探测数据的一致性和准确性。基于这一需求，项目团队研制出具有自主知识产权的微光辐射标准光源。该光源以国际先进的Terra Vega产品为技术对标，在关键性能指标上实现了全面突破：其光谱范围覆盖400nm-1000nm，辐射亮度范围达10×103µW·cm-2·Sr-1～5×104µW·cm-2·Sr-1，辐射定标精度小于4.5%。该标准光源集成了辐亮度自主可调、多光谱快速拟合、远程自动化光谱匹配控制和高精度温控等多项创新技术，实现了对星载探测器的光谱辐亮度等关键参数的自动化检测和高频次定标功能。成果已在江苏北方湖光光电有限公司、天津津航技术物理研究所等单位开展微光定标测试应用，并获得良好反馈。该光源不仅填补了国内在星载探测器定标设备领域的技术空白，更为推动我国光电探测器校正设备的通用化发展提供了重要的技术支撑。

本成果针对传统结构光三维成像在高速瞬态场景中成像速度与精度难以兼顾的难题，提出了基于计算光学的超快三维成像技术体系，攻克了低速相机无法满足高帧率动态三维测量的关键技术难题，研发了人工智能驱动的复用条纹解耦网络与单帧相位超分辨解调网络，形成了多模态融合的高时空分辨三维重建方案，突破了高速三维成像技术对高帧频硬件的依赖，解决了传统技术中高成本、高功耗、低分辨率等问题，实现了低成本条件下的kHz至100kHz级高速三维成像，构建了高时空分辨率光学三维测量技术体系，达到了国际领先水平。在旋转叶片检测、成像等重大工程场景中开展了验证试验，获得了行业专家高度评价，研究成果受到光学工程学会、中国光学、美国科学促进会（AAAS）等亮点报道。

针对传统红外光电探测系统成像分辨率低，难以满足远距离弱小目标精准探测的需求，探索了新一代“大面阵小像元，大视场高分辨，高灵敏快帧频”光电成像系统的关键理论并实现了技术应用。本成果提出了基于孔径编码的像素超分辨成像理论与方法，通过对成像系统孔径平面进行编码调制，实现成像系统点扩散函数各向异性调控，基于非相干傅里叶叠层成像方法实现频域混叠信息解耦，实现了超越探测器像元尺寸所限制的奈奎斯特采样频率的3.7倍的“亚像元”成像，研制出全球首台计算成像原理的超高清红外热像仪，大幅突破红外成像分辨率禁锢，实现“亿像素级”红外成像探测。

本成果是新一代反射式定量相位成像显微镜，可在宽场下对金相微观结构进行检测。传统反射式显微成像仅能获取物体光强信息，存在“所见即所得”的局限，且无法兼顾大视场与高分辨率，单次成像信息量有限。本成果通过角度扫描与合成孔径算法，融合明场、暗场成像信息，既获取超过物镜衍射极限的高分辨率细节，也突破传统反射式系统的空间带宽积限制，为半导体/集成电路检测、金属/陶瓷等强反射材料表面分析、微小电子器件计数等领域开辟了新的检测途径。相较于传统金相显微镜，本系统检测效率更高、成本更低（仅需将普通显微光源更换为LED阵列）、操作更简便（数字标定系统参数并校正像差），为我国工业检测领域提供了自主创新的高端显微装备支撑。

水产养殖要素全光智能在线监测系统

本成果将先进光学测量技术引入水产养殖信息监测，从传统的水面、取样测量转型至水下原位在线全面监测模式，研制出系列水下原位测量和全光复合传感设备，实现水体水质（悬浮物、有害藻类、需氧量、叶绿素、重金属、抗生素等）、地形地貌（沉积物、污染物）、养殖生物状态（种类、数量、体型、生长率、异常行为、入侵等）等协同实时监测能力，助力传统水产养殖向现代水产养殖转变，推动水产养殖的信息化、智能化和生产方式变革。该系统已在中国水产科学研究院淡水渔业研究中心完成试点应用，覆盖池塘养殖场景，累计服务养殖面积超500亩。水质参数（如溶解氧、叶绿素）监测准确率提升10%，养殖成活率平均提升12%～15%，养殖用药量减少20%以上。

本成果针对普通低空安防雷达在城市范围内使用盲区多，虚警多等问题，开展多功能近程安防雷达研究，采用动目标检测、自适应恒虚警检测以及基于人工智能的航迹筛选等关键技术，提高抗干扰能力、灵敏度、环境适应性和探测距离，利用微多普勒目标识别算法，实现地面人员和车辆、水面船舶以及空中小型无人机目标的实时探测跟踪识别。可为重要设施场所的周边环境提供全天时全天候的安全保障。成果多次参与重大活动安保，在各项比测中指标均达到国内外领先水平。

本成果针对传统测雨雷达分辨率不足，单极雷达存在局限，扫描速度慢，数据融合难度大，监测范围有限等难题，研发了双极化相控雷达、测雨雷达数据处理软件、测雨雷达应用软件。通过高增益、高隔离度波导裂缝阵列天线和数字收发技术在30s内快速探测并获取雷达周围上空2km垂直高度大气中液态水目标的位置、强度、平均径向速度和速度谱宽等基本参数，在双极化探测模式下获得差分强度、差分相位、比差分相位、相关系数等极化域参数，提高对降雨的探测和分辨能力，满足水利洪水灾害防御需求。

针对无人机高速发展、应用和监控的需求，南理工噪声雷达团队开展基于C波段圆柱阵噪声体制两维相控的无人机三坐标探测和跟踪技术的研究，发展了圆柱阵两维相控多波束扫描、角度参数估计等理论，突破了宽发窄收凝视探测、噪声波形捷变、参数可重构、处理软件化等关键技术，解决了无人机微动特征分析提取、多雷达组网交调干扰抑制和目标威胁度评估等难题，实现了低空无人机和地面/海面多种目标的有效探测、稳定跟踪和目标分类识别，在国内圆柱阵两维相控探测无人机领域达到先进水平。雷达产品在多个核电站的低空安防系统中得到应用。

水产养殖要素全光智能在线监测系统定位

针对复杂环境下无人机在缺乏或受干扰GNSS信号条件下自主定位与目标感知精度不足、识别不稳定、环境适应性差以及硬件平台体功耗高、部署难度大的难题，提出了多环境适应的区域无人机光学影像定位、多场景鲁棒的无人机影像目标检测定位方法，突破了复杂环境下无人机视觉自定位与目标定位的精度以及硬件平台部署难度大的瓶颈，攻克了无人机异源图像匹配定位、目标检测与定位、实时轻量化模型压缩等关键技术，研发了高精度、低成本的卫星拒止环境下无人机视觉自定位与目标定位系统，解决了无人机在卫星拒止环境中自主作业和稳定运行的关键问题，实现了定位算法与硬件的融合与自主可控。

本成果面向睡眠障碍筛查与长期管理难题，提出“毫米波雷达+大规模呼吸信号预训练+迁移学习”的非接触睡眠感知新路线，突破传统PSG/HSAT需佩戴、依从性差与基层难普及的瓶颈，自主研发ResSleepNet模型与云端远程管理平台，实现居家/医院场景的睡眠分期与呼吸障碍（AHI）风险评估闭环。模型以15，785晚呼吸数据预训练，采用多任务对抗学习与小样本迁移，显著提升雷达场景精度；平台支持无感采集、云端分析、医生端报告与疗效评估，已在多中心临床随访中完成病例记录（如CPAP治疗前后AHI显著降低），具备标准化接口与SDK，便于与医院信息系统及企业设备对接。与同类产品相比，平台在非接触舒适性、模型泛化能力、临床可解释与远程管理能力方面具有显著优势，可服务于医院、基层社区、康养机构与家庭用户，支撑睡眠健康服务的普惠化与规模化应用。

本成果聚焦重大工业装备对高精度、大规模和高效率电磁仿真技术的迫切需求，以“基础算法、异构并行策略、示范应用”为主线，增强了时频域电磁计算方法对复杂结构、材料、辐射源的可信计算能力；研究了超算体系结构感知的频域电磁计算多级异构协同并行计算框架数学库、结构-非结构网格全波协同大规模时域电磁算法，实现了新一代国产超算高可扩展异构并行计算，研究具有完善的前后处理功能的软件，对标国际主流软件；面向复杂装备研制需求，应用软件在大型特种研究单位和科技企业推广应用，推动国产超算服务电磁计算与设计领域发展。 

本成果聚焦超宽带、大功率、高可靠的GaN微波功率器件的设计，提出了精准的微波功率器件的物理表征技术、高效的微波功率器件多物理场建模与协同设计、先进的第三代半导体微波功率器件制造工艺、匹配的外壳封装与测试技术以及可靠的星载应用技术，揭示了大功率GaN功率器件可靠性机理，构建了全链条具有自主知识产权的先进微波功率器件设计仿真系统及制造技术体系，达到了国际先进水平。成果在北斗导航等重大工程实现应用，获得2023年度江苏省科学技术一等奖。

管芯设计    收发集成系统

本成果从高集成、大功率先进射频集成电路网格生成、敏感半导体元器件、集成电路多物理场效应三个层次的工程问题出发，进行数学、电磁学、热学、力学相关理论技术融合，突破了集成电路及系统多物理场效应高效计算方法与应用关键技术，研制了具有完全自主知识产权的多物理场协同设计EDA软件，支持半导体元器件等效电路及物理模型建模，典型结构计算效率相比主流商用软件提升2倍以上，实现了复杂环境强适应射频集成系统设计与应用。经鉴定成果达到总体国际先进、部分国际领先水平，填补了国内复杂系统多场强耦合仿真工具空白，应用于中国电子科技集团公司第五十五研究所、中国航天科技集团有限公司第五研究院西安分院空间天线技术研究所等20余家科研单位在雷达探测、航天器件、无线通信等领域的产品研发。相关理论与技术成果获2023年度江苏省科学技术奖一等奖。

本成果针对国内外MEMS陀螺寻北仪存在核心器件性能受限、转台电机不兼容而性能较差、体积较大的问题，开展大负载MEMS行波马达芯片设计与制备技术、高精度MEMS行波马达转位控制技术、高密度寻北集成与信号互联技术研究，提出了高度集成的寻北驱动、采样、控制系统，研制了芯片化MEMS行波马达寻北仪。突破了高Q值MEMS行波马达结构设计技术、基于PZT的多层薄膜低应力马达芯片制备工艺，实现了行波马达芯片的大批量高可靠加工，形成了外径仅6mm却可驱动50g负载的高力矩马达芯片；突破了MEMS行波马达高精度多转位制动控制系统，实现了行波马达摩擦驱动非线性抑制和0.06°的转位精度，确保了惯性器件旋转调制补偿效果；突破了高集成无线供电与非接触式数据传输技术，结合机械限位组装方案，完成了MEMS行波马达寻北仪样机，达到了国际领先水平，具备为各类小型化、嵌入式设备快速提供准确方向信息的能力。