北京理工大学张军院士团队，首创片上光谱复用感知架构，自主研制了国际首款百通道、百万像素高光谱实时成像器件，光能利用率创造世界最高记录。11月7日，团队相关成果发表在《Nature》期刊。文章题为“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”。团队提出了片上光谱复用感知理论与技术，颠覆了传统几何分光、窄带测量、物理输出模式，实现了片上宽带异化调控的高光谱成像。团队自主研制了高光谱智能成像器件，将光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%。该器件仅重数十克，工作波段覆盖了可见光和近红外超宽波段（400-1700nm），具有国际领先的空-时-谱分辨率（1024×1024@124fps，96通道），拥有完全自主知识产权。
论文第一作者为北京理工大学边丽蘅教授、博士研究生王振、硕士研究生张宇哲，通讯作者为张军院士和边丽蘅教授，北京理工大学为唯一完成单位。
光谱被称为“光基因”，代表了光信号在不同波段的强度分布，表征了目标对光的反射/透射的本征属性。高光谱成像技术能够同时获取目标的空间结构信息和数十甚至上百个波段的光谱信息，可以精准识别目标材质特征，从而实现复杂环境精准辨识，在卫星遥感、深空探测、新质装备等诸多领域具有重大应用，是世界各国竞相追逐的研究热点与难点。现有高光谱成像技术受限于几何分光和窄带测量的传统模式，空间、时间、光谱分辨率互相折中，系统体积大、重量重、难集成，严重制约了其在重大领域的发展和应用。
面向未来新质新域应用的智能化、轻量化探测需求，张军院士团队创新提出了片上光谱宽带感知架构。该架构颠覆传统分立几何分光方法，通过集成异化调控实现从复杂系统到集成器件的革新；颠覆传统窄带测量机理，通过宽带耦合测量实现光通量的跨越提升；颠覆传统物理测量输出模式，通过智能计算实现高分辨率高光谱成像。
片上光谱复用感知架构及其工作原理
基于此架构，团队攻克了阵列化宽带光谱调控、高光谱智能成像器件制备、大规模高分辨光谱重建等一系列关键技术，自主研制了国内首款百通道百万像素高光谱实时成像器件，将光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%，创造世界最高记录。该器件具备体积小（29mm×29mm×42mm）、重量轻（46g）、智能化程度高（实时高光谱成像与目标精准识别）的优势，在可见-近红外波段实现高分辨光谱成像。在400-1000nm波段范围内，光谱分辨率达到2.65nm，时空分辨率为2048×2048@47fps。在400-1700nm波段范围内，光谱分辨率为8.53nm，时空分辨率为1024×1024@124fps。该器件还拥有较高的成像信噪比（40.2dB）、动态范围（68.71dB）以及热稳定性（-60℃-50℃）。
该器件在遥感探测、生命健康、智慧农业、工业自动化等领域展示了广阔的应用前景。在遥感探测领域，团队使用该器件拍摄了月球表面的高清光谱视频，在弱光环境下实现观测目标的动态远程监测，展示了该器件优异的光能利用率和时空谱分辨率；在生命健康领域，该器件实现了动态的血氧检测和水质污染分析；在智慧农业领域，该器件实现了高精度的叶绿素检测、糖度检测以及水果淤伤检测；在工业自动化方面，该器件实现了高精度的纺织物自动分拣。
该工作开辟了片上光学研究新领域，为下一代智能传感器发展提供了新方法，推动集成电路、电子信息、计算机、物理、材料等多学科的交叉融合发展，助力我国智能装备变轨超越和自立自强。
该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、国家重大科研仪器研制专项、基础科学中心、面上基金等项目资助。
附作者介绍：
北京理工大学党委书记，中国工程院院士。长期从事航空通信导航、智能无人系统、天空地一体化网络、复杂环境科学探测等领域的研究与人才培养。主持研制了我国民航首个新一代空中交通服务平台、首套星基航路运行监视装备和首套民航机载飞行校验平台，研究成果获得广泛应用。在国际上率先提出“空事卫星”（AeroSAT）概念并推动列入国家中长期科技发展规划，牵头推动北斗卫星导航系统进入国际民航组织标准体系。作为第一完成人获国家技术发明一等奖2项、国家科技进步一等奖1项，国家教学成果一等奖1项。
边丽蘅，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者，长期从事片上光学研究，出版“十四五”国家重点出版物专著《计算成像与感知》，以第一/通讯作者身份在Nature（1）、Nature Communications（4）、Light: Science & Applications（2）、eLight（1）等期刊发表高水平论文50余篇，授权国内外发明专利50余项，获中国电子学会技术发明一等奖（序1/6）、中国图象图形学学会技术发明一等奖（序2/6），指导学生获得中国传感器创新创业大赛全国二等奖、挑战杯首都赛特等奖。担任《Optics Letters》专题主编，《Light: Science & Applications》、《Light: Advanced Manufacturing》客座主编，《光学学报（网络版）》编委。
王振，北京理工大学2021级博士生，导师为边丽蘅教授，研究方向为片上多维计算成像。授权发明专利2项，获中国国际大学生创新大赛北京赛区一等奖，首都挑战杯大学生创新创业大赛特等奖、全国研究生数学建模竞赛三等奖，特等学业奖学金等荣誉。
张宇哲，北京理工大学2021级硕士研究生，导师为张军院士，研究方向为片上光谱成像。以第一/共一作者在Nature、Advanced Materials、CVPR等期发表高水平论文4篇，授权发明专利2项，获首都挑战杯大学生创新创业特等奖、北京市优秀毕业生、国家奖学金等荣誉。
