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洪汉玉:为高速飞行器“矫正视力”

来源:科技日报 时间:2022-01-24


视觉中国供图

学习是掌握别人总结的知识,科研是钻研自己探索的未知。越是书本上没有的、越是前人没有做过的,越该是我们钻研的方向。要坚持、不怕挫折,要把每个问题都搞得明明白白。

——洪汉玉 武汉工程大学电气信息学院教授

受访者供图

  清晨早起,不是去项目现场,就是去实验室,接下来便是查阅文献、指导学生……武汉工程大学电气信息学院教授洪汉玉的日程几十年如一日,周末节假日也很少休息。

  对洪汉玉来说,即便把所有时间都用上,还是觉得时间不够用,因此一刻都不敢耽误。“做科研需要投入大量时间,绝不能有歇一歇的想法。”他说。

  新年伊始,洪汉玉刚刚完成了高超飞行器国家某航天重大工程项目,他申请获批的国家自然科学基金面上项目又正式启动。于是,他带领团队马不停蹄,再次投入研究。

  洪汉玉是我国最早进行气动光学效应校正工作的科研人员之一,从事高速飞行器成像探测气动光学效应校正研究已有二十余年。期间,他在高超飞行器气动光学效应校正领域提出的一系列研究方向和课题,连续6次获得国家自然科学基金委员的专项资助,并带领团队打破欧美发达国家在此领域长达50多年的技术封锁。

  近日,洪汉玉团队的成果“图像处理先进方法及产业化应用”获得中国自动化学会科技进步奖一等奖。

  半路出家,改当“眼科医生”

  高速飞行器在大气层内飞行时,其高速摩擦产生的高温以及大气中的湍流等会对飞行器平台携带的成像探测、导航、制导等系统造成极大干扰,导致飞行器成像探测系统看不清、看不远,出现成像模糊、抖动、偏移等问题,这一现象被称为气动光学效应。

  “高速飞行器受气动光学效应影响,就会得近视,即无法在复杂环境下完成精准搜索、定位,并传回清晰画面。”洪汉玉说。

  而洪汉玉团队要做的,就是为已经近视的高速飞行器“矫正视力”,提高高速飞行器在作业时的精准度和工作效率。

  人近视了,配副眼镜就能矫正视力,但要让高速飞行器看得清、看得远,可没那么容易。这其中涉及控制气动光学效应、校正气动光学效应等诸多理论、方法和技术,还要在此基础上研究、形成解决问题的创新思路和方法。

  “关键技术只能靠自己,一切从零开始。”回忆起1999年自己第一次参与我国航天气动光学效应图像数字校正理论研究任务,洪汉玉有感而发。那一年,洪汉玉师从我国航天制导领域著名专家张天序,正在华中科技大学图像识别与人工智能研究所(以下简称图像所)攻读博士学位,而他主要的研究方向是三维重建。

  张天序所在的图像所当时正在攻克如何通过数字方法、用图像处理技术解决高速飞行器看不见、看不清的问题。二十几年前,我国在航天航空领域基于成像的相关应用研究才刚刚起步,美国、俄罗斯、日本等发达国家只公开相关民用图像处理技术,涉及国防安全的资料无迹可寻,项目组摸索2年,进展缓慢。

  张天序提出让数学基础好、编程能力强的洪汉玉紧急加入项目组,这意味着洪汉玉要放下手头已研究多时、快要出成果的三维重建项目,重新进入相对陌生的领域。可当洪汉玉了解到该项目涉及我国国防安全急需解决的科研问题后,便一口答应改变方向,转而研究高速飞行器气动光学效应图像处理技术。

  当时的洪汉玉或许没想到,这个决定彻底改变了他的人生轨迹,在这一领域,他一干就是20多年。

  从无到有,突破技术封锁

  面对完全陌生的领域,洪汉玉心里没底,但他临危受命,只能硬着头皮干。投入研究后,他开始不分昼夜地进行编程实验,心里只有一个信念——“我非要做出来不可”。

  功夫不负有心人,洪汉玉发挥数字建模优势,通过反复多次实验,从湍流模糊图像中将目标清晰复原出来,并以此证实高速飞行器气动光学效应可以通过数字校正。从此,中国人掌握了这一核心技术。

  这只是第一步。气动光学效应图像校正的困难在于,图像退化程度随着空间的变化而随机变化,同时伴随空变热辐射效应及像素偏移等因素,变化机理十分复杂。

  在研究中,洪汉玉发现,国内外许多学者提出的算法对仿真湍流退化图像复原有效,而对实际湍流退化图像复原效果很差。“引发成像退化的因素有很多,这些因素不可预知、不断变化、错综复杂,必须探索图像校正技术研发的新方向,研究能在整个飞行过程中可用的、自适应的有效校正方法。”他说。

  于是,洪汉玉带领团队成员采用“化繁为简、逐个击破”思路,将复杂退化模式逐个拆解简化,经过长时间探索和试验提出“统一复原”的概念。

  从图像角度思考,洪汉玉团队及时转变思路和方向,发现气动光学效应与图像特征变化紧密相关。据此,洪汉玉团队提出全新校对方法——空变逐点校正方法,该方法基本解决了我国高速飞行器成像探测气动光学效应图像校正问题,提高了制导精度,相当于将高速飞行器的视力从0.3提高到0.8,且比原有方法的效率提高了20%。

  不仅如此,洪汉玉介绍,由于高速飞行器对硬件有严格的限制,他的团队研发的系列气动光学效应校正算法,充分考虑到这些应用需求,可直接集成到现有成像系统中,不需要额外增加硬件处理板开销,性价比高、移植性强、使用方便。

  目前,洪汉玉团队的研究成果已应用于我国航天遥感探测领域,如高速飞行器对地观测、地基望远镜深空观察等,为我国航天遥感探测提供了关键的技术支持。

  投身军工,甘做无名英雄

  多年来,洪汉玉的很多科研成果都不能对外公开,更不能写成文章发表。但洪汉玉对此却并不在意,他总说:“一心一意做科研,就是一种享受,无需其他的肯定。”

  随着洪汉玉在图像复原领域的成果得到国际认可,很多国家都邀请他出国搞科研,并给出丰厚的报酬,但他都一一婉拒了。“国家的需求才是科研真正的土壤,做科研必须永远把国家利益放在第一位。我相信未来图像复原领域的科研机会在中国,我们一定会比别人做得好。”他说。

  洪汉玉的这份自信,源于他拥有的一支年轻团队。目前,洪汉玉所带领的湖北航天图像处理与目标识别科研创新团队共13人,多数是“90后”。

  认真是团队成员对洪汉玉的一致评价。洪汉玉团队成员李施阳对记者说:“洪老师经常讲,要把一切问题都消灭在地面上,不能让飞行器带任何疑点上天。”在科研上,洪汉玉始终秉持这种信念,涉及到实验操作,他对学生们要求非常严格,不允许有任何疏露。

  在团队成员眼中,洪汉玉是“铁人”,几乎不需要休息,“他周末经常加班,就连春节也不怎么休息”。“我们受洪老师影响挺大的,每项任务都会超标准、提前完成。”洪汉玉团队成员王云飞说。

  洪汉玉认为,做科研不能有畏难情绪,要有寻根究底的探索精神。“学习是掌握别人总结的知识,科研是钻研自己探索的未知。越是书本上没有的、越是前人没有做过的,越该是我们钻研的方向。要坚持、不怕挫折,要把每个问题都搞得明明白白。”洪汉玉说,未来他要带领团队成员继续攀登科研高峰,让我国的高速飞行器看得更远、更清晰。

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