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揭秘王海现象:瞄准国家急需的横向科研大有可为
时间:2016-05-12 15:36:09来源:新闻中心点击:

一个青年教师,不等不靠、不埋怨,从城中村的出租屋起步,凭着一股想干事的热情,瞄准国家急需、国防领域的大项目,承担的科研经费处于学院前列,带动了学院和学校科研经费的增加,在学校形成了“王海现象”,在业内打造了“王海品牌”。

王海是谁?他在技术上有什么过人之处?他到底在做哪一类横向项目?他的成功经验别人能复制么?今天,让我们走近王海,西安电子科技大学机电工程学院的一名普通青年教师,去了解他鲜为人知的科研奋斗经历。

究竟是什么类型横向项目,解决了哪一类难题?

“我做的横向项目,主要集中在卫星地面检测行业。”1976年出生的王海谈到。当问及完成的究竟是什么项目时?王海介绍说:“主要包括卫星地面检测系统、星地通信数据处理、机载雷达高速数据传输存储等,听起来不相关,但都有一个共同点:那就是这些系统没有现成的,必须定制。”

卫星、雷达等装备,每秒都会产生海量数据,在测试阶段,为了排查潜在错误,所有数据必须全部记录和分析。这类测试系统的关键,一是对海量数据的高速吞吐,二是对各种特殊格式数据的实时存储分析和转化。“这些问题,普通计算机或处理器是做不到的。我的核心技术,就是自研了基于FPGA的超高速数据实时存储和分析系统,而且性能和指标比别人好。”王海说。

王海研制的这些系统的使用方,均为国家重要科研单位,包括中国空间技术研究院、中国资源卫星应用中心、中国科学院等。

王海以他完成的“卫星通用平台数据解码设备”为例介绍说,由于性能优异、运行稳定,这套系统先后被用于勘测研究地球自然资源的“资源系列卫星”,进行高分辨率对地观测的“高分系列卫星”,进行灾害应急监测的“快舟系列卫星”等的地面检测中。

实际上,“卫星通用平台数据解码设备”只是王海完成的一个典型产品。此外,他还成功研制了“机载雷达数据传输系统”,这套系统能对雷达数据进行实时获取和处理,数据传输、分析、处理速度高达每秒20Gb,已经在某机载雷达系统上使用。而“V频段调制器测试系统”,因为电磁兼容性能优异,能够实现与后方通信,现已实现量产,应用前景很好。

此外,在高速数据传输和海量数据存储领域,当业界的指标还一般是每秒几个Gb的速度时,王海已经设计实现了传输、处理、存储能力达每秒64Gb的数据传输处理系统,处于业内领先水平

时间分辨率高达0.5皮秒,业内处于什么水平?

对于普通人的生活来说,时间精确到1秒已经足够了,比如上下课、考试交卷铃、网购秒杀等等。但对于百米短跑裁判员来说,用秒计量时间又太长,因为决定胜负的往往是0.01秒。

而在引力波探测、朗德因子测量等人类极限的科研活动中,时间间隔测量的精度会大大提高,甚至到达皮秒级别。1皮秒是多少?这个天文学专用名词中描述的1皮秒时间,等于一万亿分之一秒,即10的负12次方秒。

王海的学术研究,始终聚焦在时间频率测量领域,并实现了高分辨率时间间隔测量系统,分辨率高达0.5皮秒。该领域的领头羊,加州大学洛杉矶分校研究团队,他们公开报道的分辨率是1.2皮秒。

实际上,在高精度时间间隔测量方法的理论研究和仪器研制中,王海始终不断在挑战自我。

2007年5月,他完成的论文《一种新的短时间间隔测量方法》,实测结果表明:根据该方法研制的仪器测量分辨率为500皮秒;2007年10月,他的博士论文《精密时频测量和控制技术研究》,其最后一章结论是这样说的:可以达到至少50皮秒量级的测量分辨率。

2013年9月,王海以第一作者在《IEEE超声、铁电与频率控制》(IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control)上发表的论文,将测量分辨率提高到了9皮秒;2015年10月,王海准备的学术论文中,其测量分辨率是7皮秒,目前已经投稿了《IEEE电路与系统I》(IEEE Transactions on Circuits and Systems I);而在今年3月,王海终于把时间间隔测量的分辨率,推向了0.5皮秒这个极限值。

“我都快人格分裂了,一个脑袋装着两个内容,一边是横向科研中碰到的难题,一边是学术研究上要坚守的方向。”王海戏称。

学术方向和横向项目之间,难道真的没有联系吗?王海果断否定。“高速数据采集存储和捕捉时间精度,这两者之间其实有一个共同的核心技术,那就是对FPGA的精妙掌握,两者其实是完美融合在一起的。”

时间回到2000年,还在跟着通信工程学院吴成柯教授攻读硕士的王海,首次接触到了FPGA这类可擦写的芯片。FPGA用途甚广,他的师兄李云松等,使用FPGA实现了高效实时图像压缩系统,其成果获得了国家科技进步二等奖。

“FPGA即现场可编程门阵列,它是一种半定制电路,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。我选择用它来实现高分辨率时间间隔测量和高速数据采集存储,一开始别人都不太看好。”王海坦然。

与别人仅仅把FPGA当着一种可编程的电路不同,王海的独特之处在于,他对FPGA芯片内部的布局布线策略进行了深入研究。

在王海脑海中,一块方形的FPGA芯片,就像一个满是建筑物的城市,信号从一个点到另外一个点的传输,就像人从一个地方走到另外一个地方。“打个比方,我能够让成千上万的人,在这个纵横交错的立体空间里,同时走动还路途最优,而且相互不干扰不碰撞,井然有序。”

项目多的王海现象,别人能复制推广么?

“王海老师的项目多,在我们学院被称为‘王海现象’。从默默无闻到声名鹊起,他的故事就像一个传奇,他是年轻教师学习的榜样。”机电工程学院党委书记林松涛介绍说。

王海的成功经验别人能复制么?“当然能学习能复制,这有什么神秘的?”王海果断地说,“但起步确实有点难,需要能吃苦才能坚持下来。”

2008年,刚刚评上副教授的王海,其实就是一个普通青年教师,除了写写论文、上上课,他大部分时间也是一副无事可做的样子。此时,恰好中国电子科技集团公司某研究所,急需做一个用于采集、分析并提取信号的特殊示波器。不甘心无所事事的王海,阴差阳错接下了这个项目,承诺对方半年做完。

项目刚起步,难题一连串。因为时间紧、任务重,工作场所面积还不够。怎么办?院里已经按照标准分了办公室,有些腼腆脸皮薄的王海,不好意思再向学院提特殊的要求,便自己掏钱在城中村租了一间10多平米的房子,放上6张桌子就解决了场地问题。没有团队怎么办?恰好有几个基础不太好,刚刚考上研的研究生,王海说愿意吃苦的跟他走。

一个青年教师,4名男同学1名女同学,这个6人小组开始了“疯狂科研”。早上8:30准时出现,晚上11:00集体消失,房东一度以为这6个人是搞传销的。后来得知实情后佩服不已,也给他们提供了不少方便。从此,每天晚上离开“办公室”的时候,王海可以把他那块宝贝疙瘩芯片,放到房东的卧室去,第二天早上“上班”的时候再去取出来。

王海说,那半年他最拼命的时候,连续150天没休过一天假,学生也是除了吃饭、洗澡才离开一会。甚至忙到了家人都不放心的程度,岳父曾经借口说给他送吃的,前往他租来的房子里一探究竟。

“虽然我始终对这个项目是有底的,但这是我第一次把理论知识用到实际中,压力其实也是蛮大的。”王海说,“到最后的攻关阶段,我鼓励自己更是给学生打气,这是在为了荣誉而战。我们在业内的声誉,也就是这样积累下来的。”

万事开头难,王海说这个起步项目虽然经费只有7.2万,但却耗费了半年时间,好在最终获得了对方高度认可。从此,王海凭借良好的口碑,用实干实绩进入了一个新的领域,在卫星地面测试系统业内打造出了“王海品牌”。

“最初团队的几个同学,毕业后4人去了华为,1人去了771研究所,这是他们入学时不敢想的。当然,现在回想,我当时要求确实也太严了。”王海说。

如今,在学院的大力支持下,王海正领导着一个由3名青年教师、3名博士,以及20多个硕士组成的团队,利用对FPGA芯片出神入化的娴熟使用,致力于啃别人做不了、做不好的“硬骨头”。

能吃常人吃不了的苦,是王海做科研的第一个经验。他的第二个经验,就是起步要高一些,敢玩别人不愿玩的技术。

“单纯做软件,基本要不来钱;从事单片机开发,每块板子10多块;DSP难一些,也就几百块;但FPGA芯片开发,对数电、模电、电磁波、微电子等基础知识要求高,而且成本不菲,少则几千块,多则上万元。”王海说。

“我刚做好的一块板子,光FPGA芯片就用了5块,一块6万元,30万就这样没了。这也是我的科研经费相对比别人多一些的原因。当然,与集成电路领域的流片、封装、测试等相比,FPGA也是小儿科,还不值一提。”

王海说,这么多年下来,他做科研最深的感受,就是选择领域和坚守方向。“每个研究者,无论做什么项目,都应该瞄准国家的需求,坚持自己的学术方向,这样日积月累,才能有所作为。”

如今,除了科研,王海还一直坚守在教学一线,承担了《信号与系统》《电路》等课程的教学,将前沿技术融入到理论知识的讲授中,着力培养学生的科研能力。另外,他还担任机电工程学院大学生电赛总教练,2015年指导的6支参赛队获得3项全国一等奖,3项二等奖,取得了最好成绩。

因为热爱所以执着,因为执着所以收获。坚持内心所向,王海正收获着快乐。(本文配图/闫毅强

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揭秘王海现象:瞄准国家急需的横向科研大有可为
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一个青年教师,不等不靠、不埋怨,从城中村的出租屋起步,凭着一股想干事的热情,瞄准国家急需、国防领域的大项目,承担的科研经费处于学院前列,带动了学院和学校科研经费的增加,在学校形成了“王海现象”,在业内打造了“王海品牌”。

王海是谁?他在技术上有什么过人之处?他到底在做哪一类横向项目?他的成功经验别人能复制么?今天,让我们走近王海,西安电子科技大学机电工程学院的一名普通青年教师,去了解他鲜为人知的科研奋斗经历。

究竟是什么类型横向项目,解决了哪一类难题?

“我做的横向项目,主要集中在卫星地面检测行业。”1976年出生的王海谈到。当问及完成的究竟是什么项目时?王海介绍说:“主要包括卫星地面检测系统、星地通信数据处理、机载雷达高速数据传输存储等,听起来不相关,但都有一个共同点:那就是这些系统没有现成的,必须定制。”

卫星、雷达等装备,每秒都会产生海量数据,在测试阶段,为了排查潜在错误,所有数据必须全部记录和分析。这类测试系统的关键,一是对海量数据的高速吞吐,二是对各种特殊格式数据的实时存储分析和转化。“这些问题,普通计算机或处理器是做不到的。我的核心技术,就是自研了基于FPGA的超高速数据实时存储和分析系统,而且性能和指标比别人好。”王海说。

王海研制的这些系统的使用方,均为国家重要科研单位,包括中国空间技术研究院、中国资源卫星应用中心、中国科学院等。

王海以他完成的“卫星通用平台数据解码设备”为例介绍说,由于性能优异、运行稳定,这套系统先后被用于勘测研究地球自然资源的“资源系列卫星”,进行高分辨率对地观测的“高分系列卫星”,进行灾害应急监测的“快舟系列卫星”等的地面检测中。

实际上,“卫星通用平台数据解码设备”只是王海完成的一个典型产品。此外,他还成功研制了“机载雷达数据传输系统”,这套系统能对雷达数据进行实时获取和处理,数据传输、分析、处理速度高达每秒20Gb,已经在某机载雷达系统上使用。而“V频段调制器测试系统”,因为电磁兼容性能优异,能够实现与后方通信,现已实现量产,应用前景很好。

此外,在高速数据传输和海量数据存储领域,当业界的指标还一般是每秒几个Gb的速度时,王海已经设计实现了传输、处理、存储能力达每秒64Gb的数据传输处理系统,处于业内领先水平

时间分辨率高达0.5皮秒,业内处于什么水平?

对于普通人的生活来说,时间精确到1秒已经足够了,比如上下课、考试交卷铃、网购秒杀等等。但对于百米短跑裁判员来说,用秒计量时间又太长,因为决定胜负的往往是0.01秒。

而在引力波探测、朗德因子测量等人类极限的科研活动中,时间间隔测量的精度会大大提高,甚至到达皮秒级别。1皮秒是多少?这个天文学专用名词中描述的1皮秒时间,等于一万亿分之一秒,即10的负12次方秒。

王海的学术研究,始终聚焦在时间频率测量领域,并实现了高分辨率时间间隔测量系统,分辨率高达0.5皮秒。该领域的领头羊,加州大学洛杉矶分校研究团队,他们公开报道的分辨率是1.2皮秒。

实际上,在高精度时间间隔测量方法的理论研究和仪器研制中,王海始终不断在挑战自我。

2007年5月,他完成的论文《一种新的短时间间隔测量方法》,实测结果表明:根据该方法研制的仪器测量分辨率为500皮秒;2007年10月,他的博士论文《精密时频测量和控制技术研究》,其最后一章结论是这样说的:可以达到至少50皮秒量级的测量分辨率。

2013年9月,王海以第一作者在《IEEE超声、铁电与频率控制》(IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control)上发表的论文,将测量分辨率提高到了9皮秒;2015年10月,王海准备的学术论文中,其测量分辨率是7皮秒,目前已经投稿了《IEEE电路与系统I》(IEEE Transactions on Circuits and Systems I);而在今年3月,王海终于把时间间隔测量的分辨率,推向了0.5皮秒这个极限值。

“我都快人格分裂了,一个脑袋装着两个内容,一边是横向科研中碰到的难题,一边是学术研究上要坚守的方向。”王海戏称。

学术方向和横向项目之间,难道真的没有联系吗?王海果断否定。“高速数据采集存储和捕捉时间精度,这两者之间其实有一个共同的核心技术,那就是对FPGA的精妙掌握,两者其实是完美融合在一起的。”

时间回到2000年,还在跟着通信工程学院吴成柯教授攻读硕士的王海,首次接触到了FPGA这类可擦写的芯片。FPGA用途甚广,他的师兄李云松等,使用FPGA实现了高效实时图像压缩系统,其成果获得了国家科技进步二等奖。

“FPGA即现场可编程门阵列,它是一种半定制电路,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。我选择用它来实现高分辨率时间间隔测量和高速数据采集存储,一开始别人都不太看好。”王海坦然。

与别人仅仅把FPGA当着一种可编程的电路不同,王海的独特之处在于,他对FPGA芯片内部的布局布线策略进行了深入研究。

在王海脑海中,一块方形的FPGA芯片,就像一个满是建筑物的城市,信号从一个点到另外一个点的传输,就像人从一个地方走到另外一个地方。“打个比方,我能够让成千上万的人,在这个纵横交错的立体空间里,同时走动还路途最优,而且相互不干扰不碰撞,井然有序。”

项目多的王海现象,别人能复制推广么?

“王海老师的项目多,在我们学院被称为‘王海现象’。从默默无闻到声名鹊起,他的故事就像一个传奇,他是年轻教师学习的榜样。”机电工程学院党委书记林松涛介绍说。

王海的成功经验别人能复制么?“当然能学习能复制,这有什么神秘的?”王海果断地说,“但起步确实有点难,需要能吃苦才能坚持下来。”

2008年,刚刚评上副教授的王海,其实就是一个普通青年教师,除了写写论文、上上课,他大部分时间也是一副无事可做的样子。此时,恰好中国电子科技集团公司某研究所,急需做一个用于采集、分析并提取信号的特殊示波器。不甘心无所事事的王海,阴差阳错接下了这个项目,承诺对方半年做完。

项目刚起步,难题一连串。因为时间紧、任务重,工作场所面积还不够。怎么办?院里已经按照标准分了办公室,有些腼腆脸皮薄的王海,不好意思再向学院提特殊的要求,便自己掏钱在城中村租了一间10多平米的房子,放上6张桌子就解决了场地问题。没有团队怎么办?恰好有几个基础不太好,刚刚考上研的研究生,王海说愿意吃苦的跟他走。

一个青年教师,4名男同学1名女同学,这个6人小组开始了“疯狂科研”。早上8:30准时出现,晚上11:00集体消失,房东一度以为这6个人是搞传销的。后来得知实情后佩服不已,也给他们提供了不少方便。从此,每天晚上离开“办公室”的时候,王海可以把他那块宝贝疙瘩芯片,放到房东的卧室去,第二天早上“上班”的时候再去取出来。

王海说,那半年他最拼命的时候,连续150天没休过一天假,学生也是除了吃饭、洗澡才离开一会。甚至忙到了家人都不放心的程度,岳父曾经借口说给他送吃的,前往他租来的房子里一探究竟。

“虽然我始终对这个项目是有底的,但这是我第一次把理论知识用到实际中,压力其实也是蛮大的。”王海说,“到最后的攻关阶段,我鼓励自己更是给学生打气,这是在为了荣誉而战。我们在业内的声誉,也就是这样积累下来的。”

万事开头难,王海说这个起步项目虽然经费只有7.2万,但却耗费了半年时间,好在最终获得了对方高度认可。从此,王海凭借良好的口碑,用实干实绩进入了一个新的领域,在卫星地面测试系统业内打造出了“王海品牌”。

“最初团队的几个同学,毕业后4人去了华为,1人去了771研究所,这是他们入学时不敢想的。当然,现在回想,我当时要求确实也太严了。”王海说。

如今,在学院的大力支持下,王海正领导着一个由3名青年教师、3名博士,以及20多个硕士组成的团队,利用对FPGA芯片出神入化的娴熟使用,致力于啃别人做不了、做不好的“硬骨头”。

能吃常人吃不了的苦,是王海做科研的第一个经验。他的第二个经验,就是起步要高一些,敢玩别人不愿玩的技术。

“单纯做软件,基本要不来钱;从事单片机开发,每块板子10多块;DSP难一些,也就几百块;但FPGA芯片开发,对数电、模电、电磁波、微电子等基础知识要求高,而且成本不菲,少则几千块,多则上万元。”王海说。

“我刚做好的一块板子,光FPGA芯片就用了5块,一块6万元,30万就这样没了。这也是我的科研经费相对比别人多一些的原因。当然,与集成电路领域的流片、封装、测试等相比,FPGA也是小儿科,还不值一提。”

王海说,这么多年下来,他做科研最深的感受,就是选择领域和坚守方向。“每个研究者,无论做什么项目,都应该瞄准国家的需求,坚持自己的学术方向,这样日积月累,才能有所作为。”

如今,除了科研,王海还一直坚守在教学一线,承担了《信号与系统》《电路》等课程的教学,将前沿技术融入到理论知识的讲授中,着力培养学生的科研能力。另外,他还担任机电工程学院大学生电赛总教练,2015年指导的6支参赛队获得3项全国一等奖,3项二等奖,取得了最好成绩。

因为热爱所以执着,因为执着所以收获。坚持内心所向,王海正收获着快乐。(本文配图/闫毅强

责任编辑:付一枫
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