年夫順

1 發(fā)展現狀與存在問題

1.1 市場潛力

儀器在國家科技創(chuàng)新、產業(yè)轉型升級、國民經濟建設和國防建設等方面都有著極其重要的地位。長期以來，我國測量儀器嚴重依賴進口，已成為我國自主創(chuàng)新能力提升、創(chuàng)新型國家建設和小康社會建設的制約因素。據不完全統(tǒng)計，我國科研經費投入大概有25%用于購買儀器，科研固定資產投資大概60%用于引進國外儀器。從海關統(tǒng)計數據上看，最近5年平均每年儀器進口費用約800億元，這其中還不包括儀表和傳感器等，具體數據如圖1所示。

圖1 2013—2017年6類儀器進口儀器總費用

1.2 發(fā)展機遇

“十二五”以來，我國測量儀器領域進入了黃金發(fā)展時期，國家科技部、自然基金委、裝備發(fā)展部和國防科工局等有關主管機關都非常重視測量技術與科學儀器發(fā)展，并分別設置了測試技術科研計劃，我國測量儀器迎來了前所未有的發(fā)展機遇。

(1)國家自然基金委“重大科研儀器研制專項”項目。該項目面向科學技術前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，以科學創(chuàng)新為目標導向，鼓勵和培育具有原創(chuàng)性思想的探索性強的測量技術發(fā)展，著力支持原創(chuàng)性重大科研儀器設備研制，為科學研究提供更新穎的測量手段和工具，促進我國原始創(chuàng)新能力提升。通俗地說，重大科研儀器項目強調“探索性”、“創(chuàng)新性”和“原創(chuàng)性”，通過對自然基金委科研儀器項目資助情況統(tǒng)計分析，結果表明國家自然基金委科研儀器項目在國家有關測試技術科研計劃中經費投入是最多的。

(2)國家科技部“重大科學儀器設備開發(fā)重點專項”項目。該專項始于“十二五”期間，也是建國以來第一次專門成立科學儀器專項。以科學儀器工程化研制為重點，注重儀器工程化開發(fā)、產業(yè)化策劃和應用開發(fā)，提高儀器性能和質量可靠性水平，研制好用、耐用、能用、用戶愿意用的好儀器?！笆濉逼陂g，國家科學儀器專項重點資助了三個方面的科學儀器項目，一是科學儀器關鍵核心部件，針對國產科學儀器空心化問題，打破受制于人的被動局面，實現關鍵核心部件自主可控；二是高端通用科學儀器，緊扣國家科技創(chuàng)新發(fā)展對科學儀器的重大需求，資助高端通用型科學儀器發(fā)展；三是專業(yè)重大科學儀器，圍繞國家經濟和產業(yè)發(fā)展、社會公益和民生改善、國家安全和公共安全的重大戰(zhàn)略需求，重點資助專業(yè)重大科學儀器發(fā)展。

1.3 發(fā)展現狀

在國家有關科研計劃的支持下，我國儀器技術研究與產品開發(fā)工作取得了重要進展，高端儀器自主創(chuàng)新能力得到了加強，儀器產業(yè)化工作取得了長足進步，攻克了一批關鍵部件和核心技術，擁有一批具有自主知識產權的高水平儀器成果，形成了以分析儀器、光學儀器、物理性能測量儀器、電子測量儀器、計量測量儀器等為代表的高端通用儀器產品體系，以及以環(huán)境監(jiān)測儀器、氣象監(jiān)測儀器、地質勘探儀器、天文觀測儀器、無損檢測儀器等為特色的專業(yè)重大儀器產品體系，部分儀器領域達到或接近國際先進水平，并實現了規(guī)?；可a能力，在國防科技和國民經濟建設方面得到了廣泛應用。

1.4 存在問題

長期以來，國外儀器公司憑借技術和品牌優(yōu)勢，占據了我國大部分高端儀器市場，而我國測量儀器發(fā)展還存在著很多問題，這些問題可歸納為測試技術領域的“三座大山”，國產儀器只能在“三座大山”的壓迫下在夾縫中間求生存。

一是市場壓力巨大，據不完全統(tǒng)計，2016年我國進口了449.6億美元的儀器儀表，這個數字是非常驚人的，繼石油、電子元器件之后，儀器儀表成第三大進口商品，大概90%的我國儀器儀表市場被國外公司壟斷，國產儀器儀表只占約10%的市場份額。

二是國外儀器公司強勢競爭，西方國家與國外大型儀器公司聯合，操縱我國儀器市場，一方面高端儀器對我國實現嚴格禁運政策，同時大量中低端儀器全面占領中國市場。另一方面，當我國高端儀器千辛萬苦地開發(fā)研制出來，西方國家及時解除禁運，并通過降價等形式迅速占領我國高端儀器市場，使我國高端儀器難覓立足之地。

三是整體實力和競爭力偏低，由于我國高端儀器產業(yè)基礎相對薄弱，儀器設備研發(fā)水平、技術水平和產業(yè)水平與發(fā)達國家相比還有較大差距，從科研上來看，我們是跟跑為主，并跑很少，領跑更為稀少；從產業(yè)規(guī)模上看，我國大型儀器企業(yè)也比較少，缺少國際性知名品牌，整體競爭力偏弱；從儀器信譽度上看，國產儀器的整體信譽度偏低，有些用戶一提起國產儀器，總是擔心可靠性和質量問題，如何提高信譽度是儀器行業(yè)面臨重大難題。

2 發(fā)展趨勢與熱點

信息技術快速發(fā)展，人類社會已進入了信息化時代，人類對信息的依賴程度越來越強，信息改變了人們的生活方式和思維方式?，F在的信息化發(fā)展也給測量儀器技術帶了千載難逢的發(fā)展機遇，同時也帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2.1 寬帶測量與高速測量

寬帶測量用于模擬電路和微波電路，高速測量用于高速數字電路，本來分屬兩個不相干的領域，但隨著現代模擬與數字電路的快速發(fā)展，兩種測量方式已建立起必然的聯系，使電路測量與分析更加困難。

一是信號完整性評估問題。隨著電子信息系統(tǒng)工作頻率越來越高，工作波長越來越短，電路集成度越來越高，電路板層數越來越多，新的電路形式不斷涌現，微波多層電路板和三維封裝的微系統(tǒng)對信號完整性測量提出了越來越高的要求。高集成度的微波多層電路內層信號傳輸和層間信號傳輸質量的測量與評價，需要更高的測量頻率，更寬的測量帶寬，更高的距離分辨率。信號傳輸路徑當中可能有很多不連續(xù)點，傳輸線不連續(xù)點的存在，往往會造成多次反射，對信號傳輸造成極壞的影響。因此需要對這些不連續(xù)點進行診斷，傳統(tǒng)的時域反射測量，可以獲得沿傳輸線的特性阻抗分布，可以對不連續(xù)點進行定位，但分辨率需進一步提高，測量帶寬需進一步提升。

二是寬頻帶測量問題。常用的同軸測量儀器工作頻率分別到了50 GHz和67 GHz，采用2.4 mm連接器和1.85 mm連接器，下一步將重點發(fā)展1 mm連接器測量儀器。1 mm同軸傳輸線作為一種新型的寬頻帶傳輸線，越來越受到關注，它將成新的工業(yè)標準。1 mm同軸傳輸線是指外導體內直徑是1 mm，工作頻率可達110 GHz，工作頻率越高，頻帶越寬，橫截面尺寸就會越小，加工難度越復雜，研制難度也就越大。

三是太赫茲電磁波傳輸問題。太赫茲電磁波具有微波毫米波和光學不具備的優(yōu)點，但同時它也具備微波毫米波和光學沒有的缺點。對于光子學技術而言，太赫茲電磁波波長太長；對電子學技術而言，其波長又太短。太赫茲科研團隊主要來自兩個方面，一是微波毫米波技術研究人員，從低頻段往更高頻段發(fā)展；二是光學技術研究人員，從可見光和紅外波段向低頻段發(fā)展。太赫茲技術發(fā)展首先要解決傳輸線問題，隨著頻率提高，太赫茲矩形波導尺寸越來越小，加工制作難度越來越大；其次是元器件問題，亟需室溫工作的成套低成本太赫茲器件；再其次就是量值傳遞問題，太赫茲計量和量值傳遞標準還比較缺乏。

四是高速數字傳輸系統(tǒng)帶寬問題。隨著高速數字傳輸系統(tǒng)發(fā)展，數字傳輸速率已從10 Gbit/s提高到100 Gbit/s和400 Gbit/s，數字電路工程師原來無需考慮數字信號傳輸帶寬和阻抗匹配問題，而現在面臨的最大挑戰(zhàn)就是高速數字信號傳輸問題，數字傳輸速率進一步提高，保持信號波形特征就會越來越困難。按照五次諧波原理，常用的 USB、PCIe、AFDX和 RapidIO等高速數字總線的信號傳輸帶寬已經到了微波甚至是毫米波頻段。五次諧波原理，就是通過時鐘頻率的 1次、3次和5次諧波信號的疊加，能夠較好地擬合數字信號的“0”和“1”，如圖2所示，因此信號帶寬=5×時鐘頻率=5×數字傳輸速率/2，一般情況下，用三次諧波就可以檢測和識別數字信號的高低電平，而五次諧波擬合的數字信號高低電平更接近真實的“0”和“1”。

圖2 通過五次諧波來模擬“0”和“1”曲線

五是高速數字傳輸系統(tǒng)性能特性評價問題。模擬和微波電路工程師與數字電路工程師考慮問題的角度不一樣，所用儀器也不一樣。微波和模擬電路設計常用分布參數概念，常用測量參數是S參數，常用儀器是矢量網絡分析儀；而數字電路設計常用集中參數概念，常用表征參數是眼圖，常用儀器是數字儲存示波器和誤碼率分析儀。隨著高速數字傳輸速率不斷提高，高速數字傳輸系統(tǒng)性能評價問題已凸顯出來。必須打破傳統(tǒng)的思維方式，利用信號完整性測試與分析方法在兩者之間架起了“橋梁”。首先用矢量網絡分析儀測量數字傳輸系統(tǒng) S參數，相當于獲得頻域傳輸函數，通過頻域到時域變換，可以計算出數字傳輸系統(tǒng)非理想的時域沖激函數，然后用理想的數字信號與非理想的時域沖激函數卷積，可以計算出理想數字信號經過非理想的數字傳輸系統(tǒng)之后的輸出數字信號，最后繪制數字電路工程師熟悉的眼圖，就可以評價數字傳輸系統(tǒng)性能特性。在頻域S參數和時域眼圖之間建立了聯系，如圖3所示，拓展了矢量網絡分析儀應用空間。

圖3 模擬和微波電路與數字電路表征參數

2.2 穩(wěn)態(tài)測量與瞬態(tài)測量

傳統(tǒng)的信號分析儀主要測量周期性穩(wěn)態(tài)信號，主要測量信號頻率與信號強度信息，但隨著新體制電子裝備不斷發(fā)展，需要解決強干擾背景下時變信號、混疊信號、未知信號測量與分析問題。未來發(fā)展重點是實現從穩(wěn)態(tài)周期信號測量到瞬態(tài)時變信號測量的提升，測量參數從功率、頻率、頻譜等參數到復雜電磁環(huán)境、調制樣式、跳變模式、信息含量測量的跨越。

一是強電磁干擾環(huán)境信號測量問題。電磁信號受到環(huán)境的強干擾，信號失真非常嚴重，信號模樣基本上面目全非。如何在強干擾情況下實現電磁信號高靈敏檢測與識別是現代測量儀器一個難題。

二是瞬態(tài)時變信號捕獲問題。為了避免干擾，雷達和通信設備往往采用時變信號模式，不僅載波頻率捷變和功率捷變，而且調制信號波形也在變化，時變信號難以捕獲與測量，迫使信號分析儀和測量接收機不斷地增加實時測量帶寬，提升時變信號的捕獲能力，目前信號分析儀實時分析帶寬已高達2 GHz。

三是重疊信號測量與分離問題。各種電子設備輻射的電磁波構成了復雜的電磁環(huán)境，在電磁信號工作頻率和出現的時間上往往都有重疊，如圖4和圖5所示。信號混在一起非常容易，但要把混合信號分離出來就比較困難，混合與分離往往是一個不可逆的過程?，F代信號分析儀需要利用時域、頻域、空域、調制域等信號分析手段，解決多域重疊信號分離問題。

圖4 隱藏于FM信號的窄帶干擾

圖5 同頻雷達信號疊加

四是未知調制信號識別與重建問題。電磁信號測量與分析將從已知確定信號向未知不確定信號方向發(fā)展，不僅要實現信號快速搜索，而且還要實現信號實時跟蹤與識別，對未知信號進行精確測量，以獲取電磁信號的特征參數，將來不僅要實現電磁信號承載信息準確獲取，而且還要重構與復現未知電磁信號。

2.3 時域測量與頻域測量

隨著現代微電子技術不斷發(fā)展，高速高精度A/D變換器和 D/A變換器給測量儀器帶來了根本性變革，支撐了微波測量儀器快速發(fā)展。

一是數字電路前移改變了儀器體系架構。隨著高速高分辨率A/D和D/A變換器的不斷發(fā)展，使儀器體系結構發(fā)生了重大變化，原來復雜的模擬中頻電路被現在的簡單數字中頻所取代，原來中頻濾波器被數字濾波器所取代，許多過去硬件實現的測量功能，現在用軟件就可以實現了。如果將來A/D和D/A變換器的分辨率、采樣率和帶寬進一步提高，微波測量儀器前端電路大大簡化，而性能特性將進一步提升，頻域與時域測量儀器的界限越來越模糊。特別值得注意的是，未來儀器發(fā)展的關鍵器件仍然是高速高分辨率A/D和D/A變換器。

二是微波時域測量儀器取得重要進展。最近幾年，美國是德科技、泰克、力科三個儀器公司利用先進的微電子技術，實現了時域測量儀器的重大突破，推出了超寬帶的數字存儲示波器和任意波形發(fā)生器。數字存儲示波器采樣速率高達260 GS/s、帶寬110 GHz，實現了微波信號時域波形直接顯示。任意波形發(fā)生器測量帶寬已達20 GHz，實現了各種復雜微波信號波形的直接編輯。寬帶數字存儲示波器和任意波形發(fā)生器已成為微波毫米波測量儀器新成員。原來人們只能測量電磁信號的功率、頻率、頻譜和調制參數，現在可以直接看波形了。但這并不意味著時域測量儀器將取代了頻譜分析儀、信號分析儀、信號發(fā)生器等頻域測量儀器。主要有兩個理由，一是電磁信號的幅度、頻率、頻譜、諧波、分諧波、寄生響應等主要參數測量方法都是以頻域測量儀器來定義的，頻域測量儀器可以直接獲得，測量起來比較方便；二是目前頻域測量儀器的測量能力是時域測量儀器還無法比擬的，比如信號測量靈敏度，頻譜分析儀要高出數字存儲示波器50～60 dB，而任意波發(fā)生器的相位噪聲和諧波分諧波指標也與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器有很大差距。目前來看，時域微波測量儀器的加入，不是一種取代關系，而是相互補充關系，多了一種選擇，多了一種測量手段，未來相當長一段時間，頻域與時域測量儀器是一種相互補充的并存發(fā)展關系。

2.4 機內測試與機外測試

近10年來，電子信息產品性能特性和質量可靠性發(fā)生了根本性變化，其重要特征就是高可靠長壽命和更新換代速度快，這些變化對測量技術發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。有人甚至認為未來高可靠性、高質量、自測試、自診斷和自修復技術發(fā)展，將顛覆測量儀器行業(yè)發(fā)展。

一是高可靠高質量電子產品對儀器依賴程度不是降低而是提高了?，F代計算機、手機和家用電器等民用產品維修保障的測量需求確實在減少。但并不意味著這些高質量高可靠民用產品不需要測量儀器，相反在手機、計算機和家用電器等民用產品生產過程需要大量的測量儀器，就是因為生產過程進行了充分測試，才有可能保證電子產品的質量和可靠性。雖然維修和維護的測量儀器用得少了，但在科研與生產過程中對儀器的要求更高、需求更大。同時移動通信的基站和互聯網等基礎設施，以及現代電子裝備的維修保障測試需求依然旺盛，而且也更加迫切。

二是嵌入式測試融入被測對象是未來一個重要發(fā)展方向。隨著嵌入式測試與故障診斷技術的不斷發(fā)展，使得測試與被測對象融為一體成為可能，嵌入式測試已成為電子產品在線測試與故障隔離的重要手段，也是日常維護和維修保障的主要依賴手段。嵌入式測試定期或連續(xù)地監(jiān)測設備運行狀態(tài)，通過實時監(jiān)測可以發(fā)現設備異?，F象，提供故障報警，并自動啟動故障診斷程序進一步隔離故障，是提高設備測試性和維修性的重要技術途徑。測試融入被測對象是未來一個必然的發(fā)展趨勢，而且正超著自測試、自診斷、自修復的方向發(fā)展。嵌入式測試技術會不會成為現代測量儀器的顛覆性技術，值得重點關注。

2.5 平臺化與芯片化

隨著微電子技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，測量儀器體系結構也在不斷地發(fā)生變化，標準化、模塊化、系列化發(fā)展方向上又多了芯片化和平臺化兩個重要特征，初步形成了MC3I(測量、計算機、控制、通信與人工智能)體系架構，預示著儀器未來發(fā)展方向。

一是智能化儀器體系已逐步形成。20世紀80年代，測量與計算機第一次融合，形成了MC體系架構，使得測量精度和測量速度都提高了 100倍。進入 20世紀90年代，測量與計算機和控制技術進一步融合，形成了MC2的體系架構，實現了自動控制與自動測量，使測試效率和測量水平大幅提升。進入21世紀，測量與計算機、控制和通信技術進一步融合，形成了MC3的體系架構，使遠程測量與遠程故障診斷成為可能，實現了分布式網絡化測量能力。最近幾年，測量與計算機、控制、通信和人工智能技術進一步融合，形成了MC3I體系架構，并朝著智能測試、智能化故障診斷、智能化故障預測方向發(fā)展。

二是可重構儀器平臺已逐漸成熟。隨著合成儀器技術不斷發(fā)展，可重構儀器平臺已逐步成熟，并走向實際應用。未來儀器發(fā)展，平臺化發(fā)展趨勢非常明顯，可重構的硬件平臺和軟件平臺，將大幅提高硬件資源的利用效率，呈現硬件資源最小化、軟件資源最大化發(fā)展趨勢。一代硬件平臺可搭載多代或多種軟件，可有效地提高硬件資源利用率，充分發(fā)揮軟件作用，儀器開發(fā)成本將從硬件開發(fā)成本為主體，向軟件開發(fā)成本為主體的方向發(fā)展。一代硬件平臺支撐多代軟件，可有效地延長硬件資源的生命周期，測試軟件的地位越來越重要。

三是儀器芯片化和集成化趨勢非常明顯。隨著數字、模擬和微波集成電路的不斷發(fā)展，數字、模擬和微波集成電路與嵌入式計算機使儀器測量能力不斷增強。儀器芯片化發(fā)展和集成度的提高，不僅降低了儀器的體積和重量，更重要的是提升了儀器的測試能力和技術水平。儀器芯片化發(fā)展，使儀器開發(fā)成本大幅上升，而儀器生產成本卻大幅下降，生產量越大，儀器成本效益就越明顯。

3 發(fā)展目標與意見建議

我國是一個世界大國，不能沒有自己的儀器工業(yè)，必須形成自己的測量儀器工業(yè)體系，要培養(yǎng)“國內卓越、世界一流”的尖端科學儀器企業(yè)，打造集基礎研究、關鍵技術攻關、產品開發(fā)研制、批量生產、市場銷售和客戶服務一條龍的現代儀器集團，并培養(yǎng)若干有特色的“隱形冠軍”企業(yè)。但是現在面臨的形勢還非常嚴峻，還有許多深層次問題需要解決，打造世界知名儀器企業(yè)，不是用錢可以堆起來的，需要轉變觀念，解決體制機制問題。為此提出以下幾個建議。

一是徹底解決儀器發(fā)展的體制與機制問題。我國儀器相關科研項目主要集中于高等院校和研究機構，而企業(yè)做主角的科研項目還比較少。不少科研機構雖然實現了企業(yè)化轉制，但發(fā)展模式還是科研管理模式，而非企業(yè)化運行模式，市場運作能力普遍比較弱，不適合日益惡化的市場競爭環(huán)境。因此必須轉變觀念，轉變思想，建立和完善適合儀器規(guī)模化發(fā)展的體制與機制，著力培養(yǎng)世界有影響力的尖端科學儀器企業(yè)。

二是加強儀器自主創(chuàng)新能力建設。我國很多儀器企業(yè)缺少人才、缺少核心技術，要實現從現在的跟跑，到并跑都已經很困難，要實現領跑困難更大。因此非常有必要構建“產、學、研、用”聯合的合作模式，建立良性的儀器生態(tài)環(huán)境，再加上國家大量的經費投入，重點提升儀器自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)世界一流人才梯隊，實現儀器自主可控，相信通過測量儀器人的艱苦努力，我國一定能實現超越，領跑世界儀器發(fā)展。

三是聚焦儀器發(fā)展問題，順應科學發(fā)展規(guī)律。現代測量儀器發(fā)展也面臨著“摩爾定理”制約，儀器測量功能越來越多、越來越全，正朝著小型化、模塊化、多功能、組合化方向發(fā)展。如果按照傳統(tǒng)設計理念，儀器體積和面板已經容納不下如此多的功能。因此，必須適應時代需求，發(fā)展虛擬儀器、合成儀器、數字化儀器、軟件定義儀器和認知儀器等新體制儀器。為此，建議加強儀器標準體系建設和標準化工作，走型譜化發(fā)展之路，共享硬件和軟件資源，提高儀器科研效費比；加強測量儀器工程化研制工作，不斷提高儀器質量可靠性和技術成熟度，打造好用、耐用、用戶愿意用的好儀器。