賈鵬：深耕數(shù)字宇宙　探索“銳利之眼”

穿過(guò)滿墻的星系圖和星軌圖交織的辦公室，《科學(xué)導(dǎo)報(bào)》記者見(jiàn)到了太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授賈鵬。圓圓的臉龐，在一副黑框眼鏡的襯托下，散發(fā)著文學(xué)紳士獨(dú)有的儒雅氣質(zhì)，宛如從古老書(shū)卷中走出的學(xué)者。

“我從事天文研究有兩個(gè)原因：一是小時(shí)候就常去科技館閱讀書(shū)籍，對(duì)探索很感興趣。二是讀博期間，在導(dǎo)師蘇定強(qiáng)的影響下，開(kāi)始專注天文學(xué)研究，并希望將研究服務(wù)更多人。”賈鵬對(duì)記者說(shuō)道。

數(shù)據(jù)賦能 觀測(cè)邁向智能化

2013年博士一畢業(yè)，賈鵬毅然決然地踏上了歸途，將夢(mèng)想的種子播撒在家鄉(xiāng)的太原理工大學(xué)。彼時(shí)，他的“科研陣地”不過(guò)是一個(gè)工作站與一張辦公桌，條件雖簡(jiǎn)，卻未阻其志。“得益于工作單位配備的工作站與虛擬天文臺(tái)慷慨提供的共享數(shù)據(jù)，我得以掌握天文光學(xué)技術(shù)的最新資訊與觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而在數(shù)據(jù)處理與儀器模擬研究中大展拳腳。”賈鵬說(shuō)。尤為關(guān)鍵的是，博士期間的師承與科研訓(xùn)練，為賈鵬奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)、物理及天文基礎(chǔ)，使他善思善行。

賈鵬在工作實(shí)踐中敏銳地意識(shí)到：大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為天文學(xué)探索的“銳利之眼”，隨著光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷擴(kuò)大，以及自適應(yīng)光學(xué)、成像光譜儀等前沿技術(shù)的融入，科學(xué)家不僅收獲了豐富的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，還獲取了大量?jī)x器測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。

賈鵬介紹道：“在通過(guò)數(shù)值模擬，將測(cè)控?cái)?shù)據(jù)與科學(xué)數(shù)據(jù)有機(jī)融合，進(jìn)行技術(shù)研究，一方面可深化科學(xué)家對(duì)儀器的認(rèn)知，進(jìn)而優(yōu)化儀器性能；另一方面，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)亦能反哺科學(xué)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的最大化。”

在此理念引領(lǐng)下，賈鵬組建了智能光學(xué)成像團(tuán)隊(duì)，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與圖像處理領(lǐng)域自由探索、勇攀高峰。針對(duì)大氣湍流對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的干擾，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高速高精度的大氣湍流模擬方法，并創(chuàng)新性地提出了基于聚類的大氣湍流廓線分類與建模策略，構(gòu)建了臺(tái)址測(cè)量數(shù)據(jù)與望遠(yuǎn)鏡性能模擬評(píng)估的橋梁。此外，團(tuán)隊(duì)還利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，針對(duì)存在大氣擾動(dòng)與望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)誤差的情況，建立了望遠(yuǎn)鏡不同視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的建模方法，并成功應(yīng)用于圖像復(fù)原與望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)評(píng)估。

這時(shí)，賈鵬發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)面臨另一個(gè)挑戰(zhàn)是：如何讓天文學(xué)家相信本次算法的結(jié)果，以及如何讓更多天文學(xué)家和公眾從本次成果中受益？

為此，賈鵬課題組搭建了一個(gè)名為galaxycircus的網(wǎng)站和相關(guān)微信小程序，并多次組織科普活動(dòng)，邀請(qǐng)青少年參與科學(xué)研究工作。在這個(gè)過(guò)程中團(tuán)隊(duì)解決了平臺(tái)的易用性問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了的用戶網(wǎng)頁(yè)界面，降低了平臺(tái)的使用門檻。其次，團(tuán)隊(duì)針對(duì)天文應(yīng)用設(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)據(jù)集、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練工具和損失函數(shù)設(shè)計(jì)工具，讓本次算法能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)算法的效果。研究人員表示，本次成果將用于多個(gè)領(lǐng)域，并成為筑牢專業(yè)化天文數(shù)據(jù)技術(shù)及促進(jìn)知識(shí)普及工作的研發(fā)平臺(tái)。

先驗(yàn)知識(shí) 智能成像“源密碼”

人類的天文觀測(cè)總是基于一定的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行。在智能成像領(lǐng)域，“先驗(yàn)知識(shí)”更是不可或缺的智能要素，對(duì)于提升大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)質(zhì)量具有舉足輕重的作用。

“我們課題組在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的天文學(xué)家都是能夠憑借對(duì)海量文學(xué)圖片的直接觀察和直觀感受，推測(cè)出模糊圖像的原始形態(tài)，所以我們從中受到啟示，相似的天文目標(biāo)可能因相似的物理過(guò)程而產(chǎn)生相似的圖像。”賈鵬說(shuō)，基于此，課題組構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的圖像重建方法，即以少量高分辨率圖像為參照，有效提升圖像質(zhì)量。

而作為教育工作者，賈鵬深知科研不僅要服務(wù)于學(xué)術(shù)界，更要惠及高校教學(xué)。因此，他將望遠(yuǎn)鏡作為光學(xué)設(shè)計(jì)課程的生動(dòng)案例，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）設(shè)計(jì)了一款光學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)輔助軟件，幫助學(xué)生直觀理解并掌握光學(xué)設(shè)計(jì)知識(shí)。這一創(chuàng)新成果在第一屆全國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)課件設(shè)計(jì)大賽中榮獲全國(guó)一等獎(jiǎng)，彰顯了其在教學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。

同時(shí)，賈鵬充分利用互聯(lián)網(wǎng)上海量免費(fèi)的天文數(shù)據(jù)資源，將其作為數(shù)字圖像處理、科技文獻(xiàn)檢索及利用等課程的背景資料與素材。他親自設(shè)計(jì)了“太原理工大學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)注平臺(tái)”等校內(nèi)教學(xué)服務(wù)網(wǎng)站，組織學(xué)生開(kāi)展教學(xué)科研相結(jié)合的早期訓(xùn)練，極大地拓寬了學(xué)生的視野與知識(shí)面。

隨著天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的海量積累，公眾與科學(xué)家均可通過(guò)國(guó)家天文數(shù)據(jù)科學(xué)中心便捷地獲取這些寶貴資源。基于這些優(yōu)質(zhì)資源，賈鵬及其智能成像小組明確了未來(lái)的工作方向：一方面，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)值模擬技術(shù)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入光電系統(tǒng)模擬中，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的數(shù)字孿生，為儀器數(shù)據(jù)的規(guī)整與匯集提供有力支撐；另一方面，致力于提升現(xiàn)有智能應(yīng)用算法的性能，降低人工干預(yù)與標(biāo)記數(shù)據(jù)的需求，同時(shí)提高算法的工程化水平。在數(shù)據(jù)上云的基礎(chǔ)上，將算法轉(zhuǎn)化為服務(wù)，為全民科學(xué)的普及與發(fā)展貢獻(xiàn)力量。