信息科学部重大项目指引.docx

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信息科学部重大项目指引

附件6

信息科学部重大项目指南

2019年信息科学部拟资助6个重大项目。

项目申请人申请的直接费用预算不得超过2000万元/项。

重大耗能设备智能系统基础理论与关键技术”

重大项目指南

面向节能减排国家重大需求，针对重大耗能设备异常工况频发、能耗高等难题，开展重大耗能设备智能系统基础理论与关键技术的研究及应用验证，取得具有国际影响力的创新性成果，在确保产品质量的同时显著降低能耗，为工业节能减排提供技术支撑，形成具有国际影响力的工业人工智能研究团队。

一、科学目标围绕重大耗能设备运行工况感知、物质转化过程智能建模、智能决策与控制优化集成、智能系统设计等方向开展研究，提出多源异构数据与机理分析相结合的运行工况识别方法、重大耗能设备物质转化过程的智能建模方法、智能决策与控制集成优化方法和智能系统设计方法，建立重大耗能设备的智能系统基础理论和设计方法，在重大耗能设备进行应用验证，使单吨合格产品的能耗指标达到国际先进水平。

二、研究内容

（一）运行工况的智能感知。

针对重大耗能设备运行过程中异常工况复杂多变等问题，研究多传感器动态感知、基于机器学习的异常工况识别规则的提取，并提出基于多源异构信息动态感知的异常工况识别方法。

（二）重大耗能设备物质转化过程的智能建模。

针对重大耗能设备物质转化过程，研究机理建模与机器学习相结合的智能建模方法，并对物质转化过程进行动态仿真，进而预报单吨能耗。

（三）智能优化决策与过程控制一体化。

针对重大耗能设备运行优化问题，研究多冲突目标智能优化、自优化校正、高性能智能控制等关键技术，提出智能优化决策与控制一体化系统架构与设计方法。

（四）重大耗能设备智能系统研发与关键技术验证。

研发重大耗能设备智能系统，建立实验平台，并验证相关的关键技术，显著降低设备能耗，单吨能耗指标达到国际先进水平。

三、申请要求申请书的附注说明选择“重大耗能设备智能系统基础理论与关键技术”，申请代码1选择F0310。

“复杂海况无人艇/船集群控制理论与应用

重大研究指南

在海洋强国国家重大战略需求牵引下，无人艇/船集群成为认识海洋、经略海洋的重要装备，针对无人艇/船在复杂动态海况下单艇/船环境信息感知与理解不完备、多艇/船信息交互认知效率低、集群协同控制决策难等问题，开展复杂海况无人艇/船集群控

制理论和关键技术研究，并在实际无人艇/船集群上开展应用验

证，以维护我国海洋安全及全面提升海洋环境监测能力，形成具有国际影响力的海洋智能无人系统装备研究团队。

一、科学目标

围绕单艇/船环境信息自主智能感知与理解、多艇/船信息实时交互认知及集群无人艇/船协同控制决策等方面开展研究，提出复杂海洋环境智能感知方法、单艇/船感知场景语义理解模型与方法、多艇/船信息实时交互认知方法、集群无人艇/船智能协同控制决策方法等，建立面向复杂海况的无人艇/船集群控制基础理论，并在行业内认可的实际平台上验证，显著提升目标感知与理解准确率、多艇/船信息交互认知效率、无人艇/船集群协同任务完成率等性能指标，取得具有重要国际影响力的研究成果。

二、研究内容

（一）复杂海况下海洋环境智能感知方法。

针对复杂多变海洋环境样本难以获取等问题，研究复杂海洋

环境及多尺度目标智能感知方法。

（二）单艇/船准确完备自主感知机理。

针对多传感器感知的多源异构数据高冗余、强噪声、复杂多变等问题，构建复杂多变海况下单艇/船感知场景智能理解框架，研究单艇/船感知场景语义理解与推理模型，实现无人艇/船对所感知场景与现场态势的语义理解。

（三）多艇/船实时交互认知机制。

针对单艇/船感知视野受限、感知信息多变及集群运动结构动态变化，导致多艇/船信息交互存在偏差与效率低下等问题，研究复杂多变海洋环境下多艇/船信息实时交互认知机制。

（四）无人艇/船集群智能协同控制决策方法。

针对无人艇/船在复杂海况下的运动特性复杂、集群任务多样而导致集群协同控制难的问题，研究复杂海况下无人艇/船集群协

同控制方法与理论。

（五）典型无人艇/船集群应用验证平台。

建立典型无人艇/船集群应用验证平台，在实际无人艇/船集群平台上开展复杂海况下无人艇/船集群控制方法典型应用验证，显著提升目标感知与理解水平、信息交互认知效率和集群控制决策能力，使无人艇/船集群协同控制达到国际先进水平。

三、申请要求

申请书的附注说明选择“复杂海况无人艇/船集群控制理论与应用”，申请代码1选择F0606。

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合成孔径雷达微波视觉三维成像理论与应用基础研究”

重大项目指南

合成孔径雷达（SAR）是高分辨率对地观测的重要手段之一，具有全天时、全天候的优势。

三维SAR成像可以消除目标和地形在二维图像上产生的严重混叠，显著提升目标识别和三维建模能力，已经成为当前SAR发展的重要趋势。

目前国内外提出的层析成像和阵列SAR等三维成像技术体制，成像周期长、系统复杂。

将SAR成像方法与微波散射机制和图像视觉语义有机融合，形成SAR微波视觉三维成像理论与方法，实现高效能、低成本的SAR三维成像，提升我国SAR理论与技术水平。

一、科学目标

面向SAR三维成像技术发展的迫切需求，开展SAR三维电磁散射机制及其特征信息感知的逆问题、SAR图像视觉三维认知方法、基于微波视觉的SAR三维成像等关键科学问题研究，建立SAR微波视觉三维成像新理论、新方法、新技术，极大降低三维成像SAR系统的复杂度，研制试验验证系统，主要技术指标达到国际领先水平，为发展我国新一代三维SAR系统、提升我国现役SAR应用效能奠定理论和方法基础。

二、研究内容

（一）三维电磁散射机理及微波视觉信息感知逆问题。

研究微波视觉的三维电磁散射机制表征、目标与场景的复合散射建模与高效仿真、以及散射机制的检测识别与三维特征参数反演估计方法，并基于典型目标与场景进行散射成像仿真验证。

（二）SAR图像视觉三维认知理论与方法。

研究SAR图像的视觉三维特征挖掘分析方法，建立SAR图像三维目标特性的表征模型，提出SAR三维目标识别的小样本泛化学习理论与方法，并进行典型目标与场景的SAR图像三维特征提取试验验证，能够识别典型目标的基本结构类型，识别率优于85%，建立SAR微波视觉三维成像的视觉认知基础。

（三）基于微波视觉的SAR三维成像理论与方法。

建立基于散射机制和视觉语义的SAR三维成像理论框架，提出散射机制和视觉内容互馈融合的三维成像约束模型及最优化方法，建立SAR微波视觉三维成像理论与方法。

（四）SAR微波视觉三维成像试验验证。

研制SAR微波视觉三维成像试验验证系统，进行SAR图像的典型目标三维成像试验，空间多角度观测数量w5次，三维成像建模精度优于80%。

三、申请要求申请书的附注说明选择“合成孔径雷达微波视觉三维成像理论与应用基础研究”，申请代码1选择F0112。

高性能中远红外量子级联激光器基础理论与关键技术”

重大项目指南

量子级联激光器（QuantumCascadeLaser简称QCL）具有小型、高效率、波长选取和调谐范围广的特征，是理想的中远红外激光光源。

波长4-20微米的中远红外QCL在痕量检测、空间通信、国防安全等领域具有重要的应用前景。

本项目开展高性能中远红外QCL基础理论与关键技术研究，以突破QCL的低功耗、高效率、宽调谐的瓶颈问题，为发展我国的高端红外激光技术提供理论和技术基础。

一、科学目标

本项目拟重点研究4-20微米波段QCL能带理论和材料及器件制备技术，探索具备高转化效率的新型能带结构设计，探究量子点结构QCL；发展千层QCL材料的层厚、组分、界面、调制掺杂、应变补偿的协同控制理论和技术；揭示QCL载流子动力学过程及其量子输运机理，掌握QCL结构与器件性能的对应关系；研究QCL的光场控制、模式选取、热特性演化的理论模拟方法；实现QCL的低功耗、高效率、宽调谐、高光束质量的“分项高性能”集成，并进行重大需求应用验证。

二、研究内容

（1）QCL能带结构和材料物理研究。

研究QCL能带结构电子组态、子带间散射、量子输运、掺

杂、多场耦合等对光电性能的影响特性，完善设计和优化器件的模拟分析方法，提出基于能带结构设计调控的新效应和新结构，探究应变补偿和抽运区高势垒的组合模式，提高功率转换效率。

（二）高性能中波红外QCL研究。

研究InGaAs/InAlAs体系中波红外匹配，应力调制千层QCL材料的层厚、组分、界面、调制掺杂、应变补偿的协同控制理论和技术；研究QCL电场、热场、应力场、光场分布及其关联。

实现波长4-5微米QCL单管室温连续输出功率>3W、单模室温连续输出功率>1.5W、单模调谐范围>400nm；实现大功率QCL重大需求应用验证；实现低阈值、低功耗QCL痕量检测应用验证。

（三）高性能长波、甚长波红外QCL研究。

研究长波、甚长波红外QCL匹配，应变补偿材料的结构设计和材料制备；研究波导损耗机理、不同形式光栅的调控原理；研究外场、结构离散、热积累对功率、波长、单模线宽等特性的影响。

实现波长7-10微米QCL单管室温连续输出功率>1.5W、单模室温连续输出功率>0.8W、单模调谐范围>700nm；实现波长12-20微米QCL单管室温连续输出功率>0.1W、单模调谐范围>900nm；实现QCL应用验证。

（四）量子点QCL研究。

探索从原理上提高QCL电光转换效率的新途径，提出量子点QCL的有源区设计思路，研究量子点/量子阱/势垒的尺寸、厚度、占空比、应力分布对能级（子带）位置的调控，设计、制备二级应变补偿量子点QCL；研究单层、多层量子点QCL的激光光谱特征。

实现量子点QCL室温连续激射，输出功率>50mW、单模调谐范围>1000nm。

三、申请要求

申请书的附注说明选择“高性能中远红外量子级联激光器基础理论与关键技术”，申请代码1选择F0403。

“新型量子结构的能态操控与红外光电探测机理研究”重大项目指南

红外光电探测技术在国家安全和空间科学领域具有重要的应用。

随着深空目标探测和精细气象观测的发展，迫切需要突破现有本征长波红外探测性能的极限，研制新型量子结构的长波红外光电探测器件。

本项目利用强局域的内电场和光场调控半导体量子阱复合结构的能态，突破传统量子结构的电子跃迁与光生载流子输运等瓶颈，构筑复合集成的新型量子结构，提高光电转换量子效率，降低本征暗电流，实现超高信噪比的长波红外探测器件。

推动量子能态调控和长波红外探测器件具有变革性的关键技术发展，培养具有国际影响力的研究队伍。

一、科学目标

围绕高光谱遥感、深空探测和精细气象的应用需求，开展半导体量子阱红外探测的新原理、新结构和新器件的系统研究。

针对现有量子结构材料的量子效率低和光生载流子受限等关键科学问题，建立复合量子阱结构强局域内电场和局域光场以增强光吸收和高效抽取载流子的新方法，发展描述非平衡态下子带跃迁光吸收及载流子输运过程的新理论模型，实现亚波长结构材料与

长波量子阱结构的集成，研制出新的低维量子结构长波红外探测原型器件。

二、研究内容

（一）量子阱结构能态跃迁和局域光场的理论模型。

理论计算势垒调制掺杂pn结量子阱结构不对称的强局域内电场获得载流子逃逸，偏压调节改善，实现近乎100%的逃逸几

率；建立光场强度集中分布在红外探测材料激活区域的光场模式与电子跃迁几率耦合的优化模型。

（二）复合量子阱结构的光吸收和载流子抽取增强机制。

建立量子阱结构中局域光场和光电转换的增强模型，获得亚

波长微结构与量子阱材料集成等谐振腔复合新结构的增强吸收；制备引入pn结的量子阱复合结构，研究强局域的内电场对低维量子结构中光载流子抽取效率的提升机理。

（三）电子能态调控和光电过程载流子激发的瞬态效应。

制备半导体量子阱的薄膜结构，通过对比研究pn结与nn结、共振激发与非共振激发、开路与短路抽取效率、阱内复合和阱外复合的输运效率，测定吸收系数和载流子抽取及输运效率，揭示多场作用下低维结构参数与吸收系数、载流子抽取率和载流子输运效率的依赖关系。

（四）局域特征的电子能态与调控的光场耦合规律。

基于pn结的量子阱薄膜材料，制备亚波长微结构集成的量子阱红外探测器件，明确少数非平衡载流子产生、扩散、复合的物理过程，获得复合低维结构电场和载流子微纳尺度空间分布的物理特性。

（五）集成的量子阱长波红外焦平面探测器件。

研制量子阱材料集成的量子结构，利用等离激元形成的微腔

结构，调控光场的传播方向，增强光电耦合；通过强局域内电场控制光生载流子的抽取效率，降低器件的本征暗电流；获得光电响应与微结构参数的关系，探索与焦平面探测器工艺相匹配的新技术途径，在128X128规模的焦平面器件上实现新机理和新方法的演示验证，噪声等效温差小于等于5mK。

三、申请要求

申请书的附注说明选择“新型量子结构的能态操控与红外光电探测机理研究”,申请代码1选择F0504。

海洋散射光学成像基础理论与关键技术”重大项目指南

远距离、大深度的目标高分辨率光学成像技术是海洋强国建设的重要前瞻技术。

然而，海洋的复杂环境，特别是海雾、浑浊水等强散射影响下，传统光学成像均存在看不远、看不深、看不清的瓶颈问题，是一项世界性难题。

本项目研究散射光场成像理论和核心算法，探索海洋散射光场中的目标物体信息的解译和提取规律，实现对海洋复杂环境的目标高分辨率测量。

一、科学目标针对海洋强散射影响下，经典光学成像技术因无法克服散射光干扰而难以实现远距离、高分辨率成像探测的科学挑战，深入开展光在海洋复杂散射介质中的传输规律和新型成像理论研究，形成新的海洋复杂环境中远距离光学成像探测方法，发展和构建散射光场成像技术体系，突破海洋远距离、高分辨率光学成像的瓶颈，力争实现大于10倍衰减长度的成像探测距离，为新型海洋探测装备发展奠定扎实的理论和技术基础。

二、研究内容

（一）海洋光学散射机理、测量、表征及其增强传输方法。

建立激光在海洋上空和水下不同环境参数下的传输模型，结合散射理论和数值仿真开展散射机理研究；搭建针对海雾、海水的散射测量设备，获取海洋散射特征数据，建立海洋散射矩阵数据库；探索新型海洋散射条件下的光场传输增强方法。

（二）海洋散射光学成像关键理论与技术研究。

研究海洋散射环境下图像信息的获取模式，发展能够在强散射环境下有效降低散射环境对光场传输的强衰减效应的成像构型和探测方法，为解决海洋复杂环境下传统光学成像看不远、看不清的瓶颈问题奠定理论和技术基础。

（三）海洋散射光学图像重构理论、算法及评估方法研究。

针对强散射环境下目标物体图像信息在传输过程中的混叠与衰减，发展极低信噪比条件下环境散射光场和目标散射光场的有效分离技术，探索可充分利用海洋光场散射特征先验和目标图像先验信息的海洋散射光学图像重构理论、算法和评估方法。

（四）海洋散射光学成像原理样机研制与应用验证。

研制针对海洋上空和水下复杂环境参数的两种散射光学成像原理样机，并利用该原理样机在真实海洋环境下，开展典型目标的成像探测实验，实现成像探测距离大于等于10倍衰减长度；同时开展目标图像重构、识别和表征等应用研究。

三、申请要求申请书的附注说明选择“海洋散射光学成像基础理论与关键技术”，申请代码1选择F0511。