張婷:利用聲學遙測技術“照亮”海洋

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技評論》公佈了 2019 年“35 歲以下科技創新 35 人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。在本屆榜單上,雖然缺失了“創業家”的身影,但是我們看到了許多在具有產業化潛能的領域堅持科研使命的獲獎人,也看到更多散佈在海外頂尖學術機構的科學家們,用自身不改初心的堅持努力,取得了世界級標竿成就的科研成果,其中有超過半數以上的獲獎者,都取得了世界級的突破性研究成果與發現。我們將陸續發出對 35 位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於 Innovators Under 35 China 榜單

自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出“35 歲以下科技創新 35 人”榜單,旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017 年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆 2020 年度榜單正在徵集提名與報名,截止時間 2020 年 6 月 30 日。詳情請見文末。

張婷:利用聲學遙測技術“照亮”海洋 |“創新35人”中國榜單專欄

張婷

發明家

張婷憑藉其在聲學遙測技術領域取得的一系列成果,榮膺 2019 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國區得主。

獲獎時年齡:34 歲

獲獎時職位:浙江大學講師

獲獎理由:她將聲學遙測技術用來探秘大海,並創造了全新的技術應用思路。

在張婷看來,今天的成就離不開父母對她一貫支持和尊重,使她從小養成了獨立學習、思考和計劃的習慣,在她的科研道路上產生了深遠的影響。

和很多人一樣,張婷在選擇本科專業時也有過迷茫,諮詢過家人和朋友。但正因為有獨立思考的習慣,她對自己的瞭解更為深刻,認為工科更適合自己,於是選擇了北京郵電大學通信工程專業。

促使張婷走上科研之路的關鍵推動力有兩個,第一個是她碩士期間參與的激光雷達系統的研製。這是一個軟硬件結合的項目,她當時主要負責信號處理的算法實現,需要跟硬件和嵌入式系統兩方面不斷協調合作。

“我當時第一次體會到了從遇到問題,到思考鑽研,再到解決問題的快樂,覺得科研和技術研發都很有意思,”張婷回憶道,“但我也發現科研的深度和廣度還不夠,所以萌生了讀博深造的想法。”

赴法讀博期間,她著重研究電磁波的傳播和散射理論,探索逆散射問題在光學遠場無標記超分辨顯微成像技術中的應用。

2013 年,張婷首次發展了一種全極化數字遠場層析顯微鏡(TDM),以其獨特的樣品三維定量重建的能力,可在無標記、無侵入、超分辨率下測量研究樣品(如生物樣品、納米材料結構)的光學幾何參數。

這項成果的創新意義在於不需要熒光標記細胞,不會破壞細胞的活性,而且可以做到結構成像,在生物醫學成像和納米材料無損檢測領域擁有巨大應用潛力。

2016 年,張婷還以博士後研究員的身份進一步改良了 TDM 技術,成功將其分辨率提升至 1/10 波長,遠超過衍射極限,極大地拓展了該技術的應用領域,在光學遠場無標記成像領域意義重大。

“雖然法國基礎科研能力很強,但總感覺沒有找到一個特別適合自己發展的平臺,有很多侷限性,所以開始在國內尋找工作機會,想做一些信號處理相關的研究,”在外求學 7 年後,張婷逐漸感覺到回國更適合自己大展身手。

也許是命運的安排,在國內尋找工作機會時,她迎來了科研道路上的第二個轉折點:浙江大學水聲團隊。他們圍繞海洋探測和海底目標成像的科研項目,為張婷打開了一扇新的大門,未知而廣袤的海洋深深地吸引了她,其中充滿了亟待解決的難題和挑戰,而且剛好與她先前積累的研究成果相關。

張婷:利用聲學遙測技術“照亮”海洋 |“創新35人”中國榜單專欄

圖 | 張婷在頒獎典禮上做演講(來源:DeepTech)

“她是海洋聲學領域結合理論和實驗的先驅者之一,對科學研究持有極大的熱情,具備優秀的科研能力,”浙江大學 T.C. Yang 教授給予張婷高度評價。

加入團隊後,張婷參與了兩個國家級重大科研項目,研究工作主要集中在利用機會聲源進行海洋環境觀測和基於數據的水下目標定位與分類。

為了實現透明海洋,首先需要將海洋“照亮”,也就是了解海洋環境,探測海洋目標。張婷選擇從船隻、風成噪聲等環境機會聲源入手,利用它們廣泛存在且環保的優勢,開創性地將其與分佈式傳感網絡架構相結合,重點研究從噪聲環境中提取相干波前,分佈式海洋環境參數估計和聲源定位等問題。

此類研究項目在國內和國際上都處於前沿領域,豐富了海洋聲學遙測理論與技術,為水聲網絡在實際海洋環境監測中的推廣和應用打下了基礎。

此外,張婷還在從事淺海沉底目標的定位、檢測和分類研究。這是一個世界各國海軍和商船都面臨的棘手問題,尤其側重於如何在保證信號分辨率的前提下擴大探測範圍。

她通過海洋聲學技術,提出使用拖曳陣列來研究淺海海底目標,實現散射特性重構,發明了高目標混響比的新定位方法。

針對目標分類和識別,她利用全息陣列處理技術,提取了單個目標的散射特徵,並且提出了一種新穎的基於頻域數據的去卷積方法,來消除目標散射函數上的信道畸變,攻克了聲色技術出現頻角圖像失真的難題,為其在海洋中的應用提供了全新思路。

提到未來的發展,張婷表示自己將繼續研究海洋探測相關理論和方法,在拓展已有成果的基礎上探索新的方向。比如嘗試多元信息融合,將聲學手段和電磁波與光波結合起來。另一方面,她還打算嘗試在生物醫學成像領域應用自己開發的算法,提升超聲影像或者核磁共振的成像效果。

身為一名海洋科技工作者,張婷深知海洋科技的重要性,“海洋是人類的‘第二疆土’,在這一領域我們與美國仍存在差距,而且也會有封鎖、不讓赴美參加會議之類的情況出現。希望未來結合國家發展的戰略需求,儘自己所能做出更有影響力的成果。”


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