海洋水聲物理方向的國內(nèi)學科建設情況調(diào)研

肖汶斌 藍強 王得志 王勇獻

[摘 要] 水聲物理是研究海洋中聲波與水體、界面相互作用規(guī)律及其頻率與時空因素相關特性的重要學科方向，在未來的“海洋世紀”中將獲得更為廣闊的發(fā)展空間。在廣泛調(diào)研基礎上，選取國內(nèi)重點高校和科研機構(gòu)，圍繞基礎條件、師資隊伍、主要研究方向開展了學科建設情況調(diào)研，為新時代氣象海洋學科體系建設提供有益借鑒和參考。

[關鍵詞] 海洋;水聲物理;學科建設;哈爾濱工程大學

聲波在海洋水體介質(zhì)中良好的傳播性使其成為進行海洋研究的主要信息載體[1]。水下聲波實質(zhì)上是流體質(zhì)點壓強的脈動，通過求解流體介質(zhì)的波動方程可獲得水下聲場的細節(jié)信息，在一定的模型假設和數(shù)值處理下可得到不同的水聲傳播模型[2]。然而，作為水聲信息傳輸通道的海水介質(zhì)及其邊界條件存在著多種非均勻性，例如聲速剖面分布的變化、海底底質(zhì)與海深的變化、海洋內(nèi)波、湍流、黑潮，等等，這使得聲波在海水介質(zhì)中傳播的規(guī)律性也復雜多變[3]。聲波與水體、界面相互作用規(guī)律及其頻率與時空因素相關特性，是海洋水聲物理方向的主要研究課題。本文從條件建設、師資隊伍建設、主要研究方向三個維度，重點調(diào)研了哈爾濱工程大學、西北工業(yè)大學、中國海洋大學、中國科學院聲學研究所和海軍潛艇學院，梳理海洋水聲物理方向的國內(nèi)學科建設情況。

一、哈爾濱工程大學

哈爾濱工程大學水聲工程學院在國內(nèi)率先開展水聲物理的教學與科研工作，相關成果具有鮮明的海洋特色。

（一）條件建設

哈爾濱工程大學水聲工程學院在海洋水聲物理方向的教學與科研設施十分先進，承擔了多個國家和軍隊科研項目，獲得多項國家級和省部級科技獎勵。作為國內(nèi)水聲技術基礎與應用研究的創(chuàng)新源頭，哈爾濱工程大學的水聲技術國防科技重點實驗室在水聲信息處理、聲納環(huán)境建模、水聲信道模擬、水洞實驗等領域具有雄厚的科研實力，為水聲技術自主創(chuàng)新和高層次人才培養(yǎng)奠定了堅實基礎。

（二）師資隊伍建設

哈爾濱工程大學水聲工程學院擁有以楊士莪院士、楊德森院士領銜的結(jié)構(gòu)完整、力量雄厚的師資隊伍，目前一大批中青年優(yōu)秀水聲專家脫穎而出。楊士莪院士是我國著名的水聲工程專家，中國水聲科技的主要開拓人之一，全國第一批博士生導師，第一批國務院特殊津貼獲得者。他創(chuàng)建了國內(nèi)第一個理工結(jié)合、配套完整的水聲工程專業(yè)，主張將水聲物理方向與水聲換能器、水聲設備緊密結(jié)合;開創(chuàng)了國內(nèi)水聲定位系統(tǒng)研究工作的先河，實現(xiàn)了洲際彈道導彈海上落點的水聲測量，解決了水面、水下和海底目標位置以及水下航行體軌跡定位問題，為我國水聲導航定位技術的發(fā)展做出了突出貢獻。楊德森院士是國內(nèi)最先從事矢量水聽器技術研究的專家之一，長期從事水下目標特性的分析與特征提取工作，在水中目標噪聲特性測量分析、水下結(jié)構(gòu)振動與噪聲測試分析、水下結(jié)構(gòu)物減振降噪等方面做了大量開拓性工作。

（三）主要研究方向

哈爾濱工程大學水聲工程學院在水聲物理方向的主要研究包括以下方面：從典型的海洋水聲傳播模型出發(fā)，數(shù)值模擬海洋信道沖激響應的特征規(guī)律[4];應用耦合簡正波理論分析孤立子內(nèi)波移動對水聲傳播帶來的起伏規(guī)律，使用拋物型方程進行水聲場的數(shù)值計算;基于水平指向性窄而垂直指向性寬的水下信號，建立測量海底三維聲散射強度的實用方法;從聲吸收基本原理、海水化學組成、聲吸收測量方法出發(fā)，闡述海水水體中的體積反向散射強度與典型物理參數(shù)的相互關系;研究組成角反射體的水負載彈性板的彈性散射波、水下凹面目標散射聲場計算方法、水下角反射體反向聲散射特性，利用角反射體作為海底聲學標記物時遇到的相繼脈沖海底混響抑制方法開展算法探究;建立彈性海底的Pekeris波導模型，研究Scholte表面波及次表面波的質(zhì)點運動軌跡和質(zhì)點位移分布情況及其散射特性，分析海底壓縮波和剪切波聲速、海水深度、聲源頻率、海底聲吸收系數(shù)及聲速分布等參數(shù)對水中位移場分布的影響規(guī)律。

二、西北工業(yè)大學

西北工業(yè)大學的聲學與信息工程系主要從事聲納技術、水聲信號與信息處理、水下物理場、海洋信息傳輸與組網(wǎng)、聲學與電子工程等應用基礎和工程技術研究。該系具有信息對抗技術和水聲工程兩個本科專業(yè)。水聲工程學科點于1981年和1990年分別獲碩士和博士學位授予權。

（一）條件建設

水下信息與控制重點實驗室由西北工業(yè)大學和中船重工集團第705研究所共同建設。實驗室重點開展復雜海洋環(huán)境下水下航行器精確導航與控制、水下探測和信息處理、運動體仿真等研究。實驗室自設立以來，承擔了大量應用基礎研究和關鍵技術攻關任務，先后獲得多項國家科技進步獎和省部級科技進步獎。目前，該實驗室隊伍不斷發(fā)展壯大，科研隊伍素質(zhì)高，取得了一批高水平的科研成果，為國民經(jīng)濟和軍事領域培養(yǎng)了一大批高級人才，對水下信息與控制技術發(fā)展起到了顯著的支撐和推動作用。

（二）師資隊伍建設

西北工業(yè)大學航海學院的聲學與信息工程系教學和科學研究力量雄厚，現(xiàn)有中國工程院院士2人，聲納技術被國防科工委評為“國防科技創(chuàng)新團隊”，聲學與信息對抗技術團隊被評為“陜西省優(yōu)秀教學團隊”。

馬遠良院士是我國水聲工程與信息處理技術專家，2003年當選為中國工程院院士。馬遠良院士長期從事水聲工程和信息電子技術研究，主持航空聲納裝備研制，是該領域的開拓者和學術帶頭人。他創(chuàng)立的任意結(jié)構(gòu)形狀傳感器陣列優(yōu)化設計的“凹槽噪聲場法”，成功運用于研制水下正交體積陣及其信號處理系統(tǒng);給出了拖曳線列陣端射方向接收噪聲角度展寬的理論解釋，提出匹配場噪聲抑制與廣義空域濾波的概念，推導出相應的理論解;拓展了傳感器陣列波束優(yōu)化設計理論，設計出寬帶恒定束寬和高階超指向性水聽器陣列，創(chuàng)立了多個水下信號處理自適應算法。

（三）主要研究方向

西北工業(yè)大學在水聲物理方向的主要研究內(nèi)容包括以下方面：復雜環(huán)境下的水下聲場建模、目標多基地散射建模、水聲環(huán)境參數(shù)反演、水下發(fā)射基陣的輻射聲場建模、跨越水空界面的物理場機理等;探究空中高速運動聲源的聲場建模方法，分析空中聲場與水下聲場的差異性[5];水聲基陣波束優(yōu)化與陣列信號處理、高分辨方位估計、干擾抑制與微弱信號檢測、目標分類與識別、自適應信號處理與匹配場處理等;聲納系統(tǒng)設計與分析、聲納信號與信息處理、水聲換能器及其基陣設計、新型航空聲納研制、新概念聲納和網(wǎng)絡化綜合探測體制研究等。

三、中國海洋大學

（一）條件建設

1.青島海洋科學與技術國家實驗室。青島海洋科學與技術國家實驗室主要由國內(nèi)涉海五家單位聯(lián)合共建，是在有效整合海洋科技資源，積極探索海洋科技創(chuàng)新體制機制的背景下產(chǎn)生的，直接服務于國家海洋戰(zhàn)略開展相關的科研與教學工作。目前，該實驗室聚焦海洋科技資源配置、海洋資源共建共享、海洋基礎與應用技術研發(fā)等現(xiàn)實任務，匯聚了一大批海洋領域的優(yōu)秀科學家和高層次人才隊伍。

2.物理海洋教育部重點實驗室。物理海洋教育部重點實驗室擁有以物理海洋為特色，兼顧氣象學、大氣物理、大氣環(huán)境、應用海洋學的學科體系，主要瞄準國家海洋戰(zhàn)略需求開展物理海洋等方向的前瞻性科學研究工作。該實驗室配置了大型風-浪-流水槽、旋轉(zhuǎn)水槽、內(nèi)波水槽、大型/超級計算機集群等先進設備，是國內(nèi)海洋學國家理科人才培養(yǎng)的重要基地。

（二）師資隊伍建設

文圣常院士長期從事海浪理論及其應用的研究，主要成果包括海浪計算與數(shù)值預報方法和海浪譜研究。馮士筰院士在淺海環(huán)流和長期物質(zhì)輸運方面的研究成果尤為突出。作為青島海洋科學與技術國家實驗室主任，吳立新院士長期從事海洋大洋環(huán)流與氣候研究，提出了海洋環(huán)境領域的多個創(chuàng)新性研究成果。

（三）主要研究方向

中國海洋大學在水聲物理方向的主要研究內(nèi)容包括以下方面：在淺海環(huán)境中，內(nèi)波作用下簡正波聲傳播的時空變化規(guī)律，基于實驗數(shù)據(jù)同時提取內(nèi)波模態(tài)函數(shù)及其模態(tài)系數(shù);在貝葉斯反演理論的基本框架下，提出基于高頻混響信號傳播時間的統(tǒng)計特性反演海底統(tǒng)計參數(shù)的統(tǒng)計反演策略、分層海底模型假設下的多頻聯(lián)合統(tǒng)計反演海底聲學參數(shù)策略。

四、中科院聲學所

中國科學院聲學研究所成立于上世紀六十年代，主要致力于聲學和信息處理技術學科的應用基礎和高技術發(fā)展研究，著力提升海洋、能源、生命健康和信息網(wǎng)絡等領域的自主創(chuàng)新和競爭能力，目前在國內(nèi)海洋聲學領域保持著鮮明特色和不可替代的地位。

（一）條件建設

目前中國科學院聲學所在北京、青島、上海、海南具有多個分支機構(gòu)，圍繞聲場聲信息研究及其數(shù)字信號處理相關科研與教學工作，已建成的聲場聲信息國家重點實驗室逐漸成為國內(nèi)開展海洋聲學及相關科學研究的重要基地、國內(nèi)外聲學高層次人才交流與合作研究的示范基地、海洋領域優(yōu)秀青年人才的培養(yǎng)基地。

（二）師資隊伍建設

中國科學院聲學所共有在職職工800多人，擁有聲學、信號與信息處理、地球探測與信息技術等多個方向的博士、碩士研究生培養(yǎng)點。張仁和院士在水聲物理與應用基礎研究領域開展了開創(chuàng)性、系統(tǒng)性研究工作，提出了“廣義相積分簡正波理論”“波束位移射線簡正波理論”“平滑平均聲場理論”等一系列創(chuàng)新型成果，在我國沿海和西太平洋組織開展了百余次海上試驗，積累了淺海與深海水聲傳播的試驗數(shù)據(jù)和資料，其系列研究成果使我國的淺海聲學研究處于國際先進地位。

（三）主要研究方向

中國科學院聲學所聚焦的學科方向包括水聲學、超聲學和空氣聲學，重視開展基礎性、戰(zhàn)略性、前瞻性的聲學基礎研究與應用基礎研究。目前，中國科學院聲學所具有多個特色研究方向，在水聲物理與水聲探測技術領域主要探索海洋環(huán)境特性對聲場影響的規(guī)律以及從聲場中獲取與環(huán)境特性有關的信息的方法，重視水聲物理與聲信息提取、水聲信號處理理論與技術緊密結(jié)合。

五、海軍潛艇學院

海軍潛艇學院在海洋水聲物理方向具有鮮明的軍事應用特色，其學術帶頭人為笪良龍教授。2010年，笪教授在海洋水聲環(huán)境領域的某重大研究成果榮獲國家科技進步一等獎，被中央軍委記一等功。

依托海軍戰(zhàn)術水聲數(shù)據(jù)中心，海軍潛艇學院在水聲物理方向的主要研究內(nèi)容包括在WKBZ本征函數(shù)的基礎上，推導參考界面相位修正的一致表達式，針對雙軸海洋聲道采用波束位移射線簡正波模型求解聲場;構(gòu)建實驗環(huán)境下的用于水下聲場計算的PC集群，開展了水平不變聲道的WKBZ簡正波模型和FOR3D拋物型模型的并行計算;利用海洋環(huán)境噪聲測量潛標系統(tǒng)對南海典型海域開展長期的海洋環(huán)境噪聲測量，獲得南海海洋噪聲譜級與水深、海區(qū)、風速的變化規(guī)律。

六、結(jié)語

水聲物理是針對水下探測、定位、導航、識別、通信等工程應用的學科領域方向，重點研究海洋環(huán)境下的水聲傳播規(guī)律和水聲信號處理方法，其具有基礎理論要求高、學科交叉性強、應用領域廣等特點?？梢灶A見，水聲物理在21世紀將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。通過梳理國內(nèi)重點高校和研究機構(gòu)在水聲物理方向的學科建設情況，為新時代氣象海洋學科體系建設提供有益借鑒和參考。

參考文獻

[1]楊士莪.水聲技術及在我國的發(fā)展[C]中國科學技術協(xié)會“科學技術面向新世紀”學術年會，1998，33-35.

[2]Paul CE.Underwater Acoustic Modeling and Simulation （Fourth Edition） [M].CRC Press，2013.

[3]劉清宇.海洋中尺度現(xiàn)象下的聲傳播研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[4]邵寶輝.耦合簡正波聲場計算方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[5]楊坤德，馬遠良，張忠兵等.不確定環(huán)境下的穩(wěn)健自適應匹配場處理研究[J].聲學學報，2006，31（3）：255-262.