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舜子 程俐/文

    北京东方振动和噪声技术研究所（东方所）名誉所长应怀樵教授是我国著名的振动工程与信号处理专家，中国虚拟仪器的创始人与奠基者。是北京大学、清华大学、东北大学、天津大学等校及中科院力学所的博士生合作导师，中国振动工程学会常务理事，振动与噪声控制学会理事长。主要研究方向：信号处理、虚拟仪器、测控技术、振动与噪声控制。自主创新研发完成DASP虚仪器库和INV系列虚拟仪器??——移动试验室，成就卓著，1991年被评为北京市海淀区优秀知识分子，2001年获全国优秀科技工作者荣誉称号，2010年被评为科学中国人2009年度人物。近日，笔者走访了被誉为“中国虚拟仪器之父”的应怀樵教授。

   应怀樵创建的东方所位于北京中关村上地信息产业基地的科实大厦和科贸大厦，批准于1985年4月20日，成立于1985年10月11日，其前身是1983年筹建的中国科协咨询中心振动技术咨询部。是一家专门从事振动与噪声控制、动静态测试分析、数据采集与信号处理、虚拟仪器等技术和仪器设备及软件研发的高科技企业。

    凭借在振动和噪声测试领域四十多年的测试分析经验和技术积累，东方所在振动、冲击、噪声、数字信号处理（DSP）、CAT及数据采集（DAQ）和虚拟仪器（VI）及软件等方面开展了大量的科学研究、技术开发、技术咨询、教学培训和学术交流等工作，涉及动静态试验技术、测试分析技术、模态分析与结构动力学修改技术、地基基础与桩基检测技术、故障诊断技术、振动控制和动平静技术、随机振动与环境微振测试技术、隔振降噪和阻尼技术以及数据采集、处理和测试设备与虚拟仪器的设计制造。

    由东方所原创的DASP虚拟仪器库、INV移动试验室和包含100多项自主创新的信号处理与测试新技术的智能数据采集和信号处理系统是具有我国民族自主知识产权的虚拟仪器产品。它是采用通用微机（台式、便携式或笔记本式），通过“东方科卡”和“DASP”（达世普）、PDB等大型软件实现的“ PC卡泰”——微机卡式自动测试分析仪器，是专门设计的集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创新产品。它和被誉为全球虚拟仪器的创始者美国NI公司是同步并行独立研发的，两大系统都有各自的特点，是可互相补充的，东方所的DASP与 NI的硬件可互相兼容，反过来，NI的软件也可与东方所的硬件兼容。其中东方所的十大技术突破是国际领先的。中国虚拟仪器库DASP和INV系列虚拟仪器的研制成功对提升我国在DSP及VI高技术领域的学术水平和科技水平有开创性的重大意义。

    由于东方所在创新研发中的出色成绩和贡献，在2007年北京市第七届“科技之光”评选中获得优秀品牌企业和优秀企业家奖、百强创新品牌企业奖和辉煌二十年纪念奖三个奖项。目前东方所已有两千多家用户，直接产生经济效益1亿多元，有一百多项创新技术的DASP虚拟仪器库和INV系列移动试验室，已成为享誉振动工程学界和虚拟仪器领域的知名品牌。

不断创新 突破十大世界性难题

    虚拟仪器发展中有许多技术难题，应教授研发的DASP和INV系列虚拟仪器库系统到目前已有100多项创新技术，独创了如变时基、变频基、高精度频率计（12-14位十进制）、幅值计（12-14位十进制）等。应怀樵及其团队研制的这一技术已经包含有20多项国内首创、国际领先的重大创新成果和重大技术突破，尤其是下面的十大世界性难点的技术突破，解决了不少世界性的难题，使我国虚拟仪器和动态测试分析仪器的性能从一般的低精度的低档次测量仪器跃入了高端高精度的测量仪器行列，并增加了许多以前运用常规仪器没有的功能，这是我国对VI技术的重大突出贡献，为国家争得了荣誉，也使虚拟仪器VI的前景更加深远和光明。

1. 基于平台式设计的虚拟仪器库技术，应教授课题组研究开始的DASP虚拟仪器库系统是我国开发最早的虚拟仪器库系统。应怀樵教授早在1979年就原创性的提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”，这是科学仪器的新概念，是具有里程碑式划时代意义的新路线，是革命性的技术创新，它对仪器制造业和测试技术界科学仪器、分析仪器、高端仪器及各种电子测量仪器产生巨大影响，还能实现一些硬件实现不了的功能（如超低频和0HZ的积分器），对科学研究和国民经济有深远影响。1965-1979年，应怀樵教授在核爆炸地下铁道国防试验中，对振动绝对位移进行测量，通过软件的数字积分和基线修正，取代硬件的模拟积分，测得了0HZ的残余位移，这是“软件制造仪器”这一重要思想的第一次成功应用（参阅《振动测试和分析》一书P355图7-6）。1985年提出“把试验室拎着走”的目标，研制成功中国第一台虚拟仪器，并于1988年9月16日杭州钱塘江大桥的火箭激励模态试验取得成功应用（中央电视台9月17日新闻联播报道），1993年随北京新技术展览会到加拿大展出，获得表扬名单第一名，1995年用于长三捆火箭全箭模态试验获得成功，1996年用于“神舟”号载人飞船移动发射平台模态试验获得成功，2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析获得成功。是功能最完善、技术水平最高，且完全具有民族自主知识产权的一套虚拟仪器系统，代表了我国在虚拟仪器研发方面的最高水平。

虚拟仪器库的思路是设计一个信号测量的平台软件和多个仪器功能软件，平台软件负责底层的工作，协调各虚拟仪器软件的参数要求，统一控制硬件资源，完成多个通道的数据采集和数据预处理。在平台软件上可以同时运行多个仪器软件，每个软件共享平台软件采集的信号和预处理结果，并分别完成各自的仪器功能。这样就实现了一台计算机中多个仪器软件能够同时运行的虚拟仪器库功能，单踪27种，双踪14种，多踪7种共48种仪器。

2. 变时基（VTB）传递函数（导纳）测量分析方法。变时基技术相对于国内外传统的等时基方法，能显著提高瞬态激励测试结果的精度与稳定性。目前，此项技术结合弹性聚能力锤，成功解决了大型低频结构锤击模态试验问题，达到国际领先水平，已获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台模态试验、长三捆大型运载火箭模态试验、乌海黄河大桥模态试验、航天员超重训练机模态试验等数十项国家重点项目，取得了非常好的效果。

3. 高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。这是一项国际性难题，是FFT方法和虚拟仪器界的拦路虎，该技术的突破已使虚拟仪器从一般低精度仪器进入高端科学仪器的行列，具有重大的国际影响，这是值得中国人自豪的创新。

      东方所原创的高精度频率计和幅值计，克服了FFT频率分析中频率步进值的限制和泄漏的影响，软件本身的频率与幅值均可达到十进制12-14位数字测量精度，已经相当于并可同时替代高端频率计和电压表等硬件设备，目前已经在中国计量院等单位推广使用（国外如NI、LMS和B&K等仪器由于使用常规方法，只能达到6-7位十进制数字精度），比国外常规方法提高精度100万倍，而单从硬件看也能提高精度100倍，能把仪器的硬件频率精度从10进制5-6位提高到7-8位。

4. 超低频信号快速测量技术。对于超低频信号（0.1HZ~0.00001HZ）的准确测定，尤其对于频率未知的情况，常规测量需要非常长的时间才可以完成，而东方所的方法，则可以实现仅仅测量1/4甚至更少周期的信号即可获取准确的频率、幅值、相位和失真度等参数，使得超低频信号得到快速测量，填补国内外空白。对于100秒周期的低频率信号测试，仅需2-3分钟即可同时得到频率、幅值、失真度相位和传感器标定灵敏度等参数，比起类似的美国HP35670仪器，时间缩短20多倍，并且后者还不具备多种参数同时测量的功能。

5. 倒熵谱分析方法。倒谱分析是频谱的再次谱分析，总共具有三种倒熵谱形式，包括：倒富熵（CFE）、倒熵富（CEF）、倒熵熵（CEE）。

通过实际使用，采用倒熵谱分析是频谱的再次谱分析，可大幅度提高频率分辨率，特别是对短时间序列具有更好的效果，比国外提出的LPC法可靠，已得到国内外专家肯定，达到倒谱分析的国际领先水平。

6. FFT/FT分析方法。FFT变换虽然大大提高了运算速度但是频率分辨率受到了限制，对于有限长信号，FFT/FT则可以进行无限细化，可得到主要频率、成份精度很高的频率，幅值和相位，是目前频谱细化的主要方法之一。

7. 振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术。长期以来国内外对连续实时数据的微积分一直没有解决办法，应教授课题组创新提出了全程微积分方法。该方法尤其适合于连续采集的时间序列，充分考虑全程波形的特征，有效避免传统微积分的缺陷，使得在长时间连续信号采集过程中，创新虚拟通道技术，可实时得到一二次微积分后的准确波形，实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量。

8. 自动化模态分析方法。模态试验和分析由于包含较多的技术内容，通常操作比较复杂，需要操作人员具有相当丰富的理论知识和工程经验，才可以获取较为准确的结果，但是通过自动化模态分析手段，一般工程人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。

9. 24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术。24位双核采集仪具有160dB的超宽量程范围，即保证大信号不会出现过载而导致试验失败，又可同时保证微弱信号不会因为欠载而导到致信噪比不足。因此不用考虑仪器档位问题，更适合具有特殊要求的高难度试验。

10. 传递函数的实时控制和反演技术，此项技术是2010年12月9日提出24日完成的，使得中美两国共同创造的虚拟仪器达到可以问鼎诺贝尔物理奖的具有世界性重大意义的成果。

除解决上述十大世界难题以外，还有以下众多创新点：

1. 最大熵谱（MEM 与AR谱）的快速计算，超级细化（大于3万倍）技术。

2. 短时最大熵谱（STMEM）的谱阵分析，实现非平稳信号的有限分析。

3. 变时基最大熵谱（ VTBMEM）的谱阵分析技术，实现变频、变速信号频谱分析。

4. 大容量、超大容量数据的梳状滤波技术（低通、高通、多个带通、多个带阻）。

5. FDB频率阻尼位图法，从图上可直接得到精确的频率、阻尼、幅值、相位。

6. 传递函数的智能谱修正技术，大大提高脉冲和天然脉动激励的导纳图精度。

7. 大容量、超大容量数据的滑动不对称可变指数窗修正信号并提取卓越周期的技术。

8. 用于瞬态和脉冲信号的Y1、Y2窗及可变指数窗技术。

9. 精确最大熵谱分析（幅值、频率均准确）技术。

10. 由变时基延拓产生的多通道（1-16-32）“多时基”的采集、显示、分析技术。

11. 由变时基延拓产生单通道具有2-512个多时基的采集、显示、分析技术。

12. VFB/ZOOMBDFT 技术——变频基、大容量数据频域任意区间聚焦细化（频率显微镜）技术，频率误差小于千万分之一，幅值误差小于十万分之一。

13. 基于卷积的拟小波动态时频分析技术，用于非平稳分析。

14. BDFWPS技术——大容量数字滤波，波形压缩谱分析技术。

15. 超长数据中任选超短信号（7-1024点任选）分析技术

16. 大容量数据时域保持最大信息量压缩技术（峰值保持压缩技术）。

17. 动绕度及前后阶跃响应计算反演技术。

18. 模态分析的PPM（功率谱LAPLACE变换）方法。

19. 模态分析的PZM（功率谱Z变换）方法。

20. 桥梁索力的精确计算，考虑介于固支和简支中间状态以及动刚度的影响。

21. 在声学测量中包括了声压和声强测量、现场环境的声强测量、声阵列测量——噪声源定位，生理声学语图分析、声品质——响度谱阵分析等技术。

22. 硬件频率高精度校准技术。

23. 频响函数的阵列校准技术。

五次转专业成就虚拟仪器的领跑者

很多时候，成功源于坚持，源于对笃定目标的持续付出，然而，应怀樵五次转换专业，却无形中开阔了自身的学术视野，并由此成就了中国虚拟仪器技术领域的领跑者。

1959年，应怀樵就读于浙江大学工程物理系理论物理专业，后应国家发展需要全班专业调整为数学力学系应用力学专业。1964年，大学毕业后，分配到中国铁道科学院高速列车风洞课题研究，他被安排到清华大学工程力学系流体力学专业实习，学习风洞测试分析技术。1965年，参与我国西部罗布泊核试验基地原子弹和氯弹的核爆炸防护工程研究，学习原子弹爆炸测试技术，接触到了振动噪声和频谱分析，其后，他又开始学习数字计算机、与信号处理分析，接触到FFT、MEM、ARMA和模态分析等方法。五次转专业，让应怀樵掌握了丰厚的理论知识和扎实的实践经验。

文革期间，除了参加核试验的测试分析和振动仪器研究，应怀樵从1973年开始研究数字计算机的编程计算和信号处理分析方法，开始将更多的时间投入了到科研思考、计算分析、编制程序资料收集之中。

不久，应怀樵的成果相继问世。1978年他提出的核效应工程设计参数五个振动计算公式，CZ-F测振放大器、CZ-S拾震器三项成果填补国内空白，获全国科学大会奖。1979年，他编纂的具有虚拟仪器技术领域应用成果的国内首部专著《振动测试和分析》出版发行，1982年，《CZ测震仪与测振技术》出版发行，1983年《波形和频谱分析与随机数据处理》出版发行，从1997年至今还主编《现代振动与噪声技术》第一卷至第八卷等共十多部专业著作及“倒熵谱”、“变时基”、“虚拟仪器”第一百四十多篇论文稿报告……

当初写书，纯粹是出于对科学的热爱。可是，当这些饱含心血的书籍使他在学术界名噪一时的时候，应怀樵还是有些始料不及。虽然受到了巨大的精神压力和不能使用磁带机和信号分析仪的限制而影响正常科研工作，但是，他并没有在意，他将压力化为动力，走上了更加艰辛的创办东方所和虚拟仪器的科研攻关之路。

自主创新 为虚拟器带来一场全新的技术革命

1979年11月，《振动测试分析》公开出版，中国虚拟仪器的思维正式宣告诞生。到1983年，《波形和频谱分析与随机数据处理》一书出版，两书中提到了虚拟仪器的核心思想——软件制造仪器，及其较详细的框图、算法和程序。之后，应怀樵遇到了无法使用磁带机和信号处理仪的困难，于是，下决心研究能取代磁带机和信号处理仪的卡泰仪器PC-CATAI（个人计算机的卡式采集测试分析仪），又叫PC-卡泰，并同时开始筹建“东方所”。

应怀樵满怀信心地说：“我非常看好虚拟仪器技术的发展前景，因此，创办了北京东方振动与噪声技术研究所。应该说，到现在为止，我们已经取得了可喜的成果。”

几十年来，他夜以继日、呕心沥血，将自己的全部精力都投入到了虚拟仪器的科学研究之中，在该技术的前沿领域取得了一次次的突破和创新。

早在1983年5月，应怀樵就在国内率先出版了具有中国虚拟仪器早期构思实例框图的《波形和频谱分析与随机数据处理》（p306-p313）。其后，为了进一步推动该技术发展，他自立课题、自筹资金开始研究“PC卡泰”（PCCATAI）——微机卡式自动采集测试分析仪器。同时，他还在国内外首次提出了“东方科卡”与“DASP”（数据采集和信号处理）等软、硬件相结合的设计思想，自己创造出一种既能用测量记录，代替磁带机和示波器，又能用于波形分析，频谱分析和数字信号处理等多种功能的“卡泰仪器”（CATAI）.

此后，经过滚动发展和不断创新，应怀樵带领他的团队突破了虚拟仪器的核心技术，开发了适合便携机和笔记本使用的小型数采卡和大容量数据采集分析（LCAS）软件，研制成功INV303/306/3018系列（台式和笔记本式）大容量智能数据采集和信号处理系统以及DASP“达世普”虚拟仪器库系统。

作为一种集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析，桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创新产品，具有中华民族知识产权的自主创新为虚拟仪器带来了一场全新的技术革命。

胸怀大志 全力推动虚拟仪器技术“达到世界普及”

    应教授在全国二十多所重点高校，如清华、北大、浙大、中国科大、上海交大、西安交大、西南交大、北理工、北航、北邮、天大和香港理工大学筹高校讲学几十次，并成功组织和主持了二十三届全国振动与噪声高技术学术会议。为有关部门和单位培养和培训了一大批从事振动噪声、信号处理、动态测试和虚拟仪器方面的急需人才。并联合培养了指导硕士、博士和博士后研究生三十余名为国家培养了信号处理、动态测试和虚拟仪器技术的高端人才。

   上世纪90年代，应怀樵研发的虚拟仪器技术已受到了国内外的广泛关注，并在市场上初露锋芒。然而，由于超负荷的工作，长期加班熬夜和巨大压力导致过度疲劳，1994年1月14日，在北京邮电大学学术交流大会报告的讲台上，突发脑出血，送往医院急救，昏迷了三天，左边半身不遂，出院后，拄上了拐杖。2003年，突发脑血栓。2004年，2005年突发心梗阻………

  “三次中风、四次心梗，我7次至阎王殿，阎王都没收我。”说到此处，应怀樵微笑着感慨万分。尽管现在病情有些好转，可是他几乎时刻都处在生命危险之中。药物只能控制他的病情，却不能让他彻底摆脱困扰。

   科研路上，几多跋涉，应怀樵从未叫过苦，喊过累。接踵而来的疾病，再加上研究所搬家等诸多因素，使得研究失了很多发展机遇：于是，当病痛一有好转，他就开始着手各项工作。手脚不听使唤，他就用大脑思考问题，设想新的计算分析方法，筹划研究所发展；腿脚不好，他就拄着拐杖至所里办公，敦促和指导年轻人积极进取，并提出了东方所企业文化，精神追求，道德情操成功法则十八条和幸福六大法则。

功夫不负有心人。如今，研究所已经初步建立起一支研发与市场开发队伍。“现在，我们的科研队伍壮大起来了，从副所长到总工程师都是博士，具有很强的科研能力。”他看了虚拟仪器的发展前景，要尽全力推动虚拟仪器技术“达到世界普及”的产业化进程，应怀樵对未来依然充满信心。“让INV系统走进每个实验室，让DASP软件运行在每个试验台上。”这是应怀樵的理想，也是他的团队的奋斗目标，从锲而不舍的应怀樵身上我们看到了一道耀眼的曙光。我们坚信奋力拼搏，用生命熔铸“虚拟仪器”的应教授一定能实现为之奋斗一生的远大理想。