海平面下的“千里眼”
——記浙江大學(xué)海洋學(xué)院研究員王德麟

武光磊

深海是地球表面最后一塊人類遠(yuǎn)未涉足的區(qū)域，蘊(yùn)藏著豐富的資源，是人類社會謀求未來生存與發(fā)展的戰(zhàn)略新疆域，也是當(dāng)今大國競爭的焦點(diǎn)。然而從全球角度來看，海域廣闊而資源受限，如何在廣闊深邃的海洋水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)如海面一般精確、快速、高效的觀測，至今卻是困擾科研人員的世界性難題之一。

2016年，《自然》雜志報(bào)道了一項(xiàng)研究成果，利用“海洋聲學(xué)遙測”技術(shù)，研究人員成功在大陸架尺度實(shí)現(xiàn)了對水下信息精確實(shí)時(shí)成像，引起了世界海洋研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。這篇工作的作者正是如今浙江大學(xué)海洋學(xué)院研究員王德麟。而當(dāng)年他還是一名到美國不到3年的在讀博士生。

“我國作為海洋大國而非海洋強(qiáng)國，在強(qiáng)手環(huán)伺、競爭激烈的大環(huán)境下，只有依靠革命性的海洋新技術(shù)，方有可能真正實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國。我希望自己能在海洋觀測領(lǐng)域，給國家海洋技術(shù)貢獻(xiàn)一塊磚?！倍嗄陙?，王德麟致力于海洋信息觀測技術(shù)研究，探索能夠大范圍、精準(zhǔn)化的水下感知成像方法。對他而言，張開水下這只“眼睛”，就是他給國家“關(guān)心海洋、認(rèn)識海洋、領(lǐng)略海洋”戰(zhàn)略貢獻(xiàn)的一塊鋪路石。

一個(gè)物理出身的水聲博士

2005年，王德麟拿著自然科學(xué)興趣的入場券，踏入南京大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的大門。作為我國該領(lǐng)域最高水平的院校之一，南京大學(xué)物理學(xué)院幫助王德麟在打下扎實(shí)的物理基礎(chǔ)的同時(shí)，也養(yǎng)成了以物理的視角去理解客觀世界，以數(shù)學(xué)的思維去思考科學(xué)問題的習(xí)慣，并對他后來逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)且富有邏輯的科研思維起到了重要的作用。碩士畢業(yè)后，為了繼續(xù)深造，王德麟赴美國東北大學(xué)隨P u r n i m a R.Makris教授攻讀電子工程博士學(xué)位。他選擇了水聲遙測技術(shù)作為自己下一階段的研究方向，并同時(shí)追求將物理理論與工程實(shí)踐相互結(jié)合。

國外的學(xué)習(xí)經(jīng)歷一開始并不順利。學(xué)物理出身的王德麟需要更多的時(shí)間學(xué)習(xí)融入聲學(xué)研究，同時(shí)水下聲遙測本身已經(jīng)發(fā)展超過了1個(gè)多世紀(jì)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上發(fā)展新的突破性成果有很大的困難，另外水聲作為相對敏感專業(yè)，對一個(gè)留學(xué)生提出了更高的要求。Makris曾教授提醒他，如果第二年還沒有重要成果發(fā)表，建議他重新考慮課題甚至博士規(guī)劃。

王德麟

重壓之下的王德麟并沒有亂了方寸。“我選擇水聲的目的是實(shí)現(xiàn)物理與工程的融合，相信物理的思想是幫助我找到水聲技術(shù)突破的關(guān)鍵。”他開始給自己的科研工作提速，積極和教授學(xué)習(xí)討論，嚴(yán)格要求自己同時(shí)達(dá)到速度與質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)，通宵達(dá)旦、廢寢忘食成了他那時(shí)的家常便飯。兩年的拼命沒有白費(fèi)，他基于海洋聲學(xué)波導(dǎo)的物理模型，提出了主、被動結(jié)合的海洋聲學(xué)波導(dǎo)遙測技術(shù)，利用海氣和海底兩個(gè)界面的阻抗不匹配形成聲學(xué)波導(dǎo)，大大降低了聲波傳輸損耗。進(jìn)一步，他利用大功率垂直聲源陣列與大孔徑水平拖線陣組合成為海洋波導(dǎo)聲學(xué)成像系統(tǒng)，基于各類物理及生物要素與聲信號耦合模型，利用接收陣采集目標(biāo)散射回波并根據(jù)目標(biāo)與接收陣相對距離及角度制圖反演形成海洋環(huán)境遙像，首次在大陸架尺度實(shí)現(xiàn)了多種海洋生物探測、識別，并對其分布成像，實(shí)時(shí)觀測范圍達(dá)30萬平方公里以上。由于該工作對水下信息遙測技術(shù)發(fā)展具有的重要價(jià)值，王德麟在博士第三年以第一作者身份在世界頂尖科學(xué)雜志《自然》上發(fā)表了這項(xiàng)工作。那段經(jīng)歷讓他進(jìn)一步堅(jiān)定了自己科工結(jié)合的科研理念。同時(shí)，科研路上的“叢林法則”也助他養(yǎng)成了時(shí)刻緊迫、事事盡善盡美的習(xí)慣。

深入探索水聲遙測技術(shù)

第一篇高水平學(xué)術(shù)論文的發(fā)表給王德麟帶來了信心與動力，卻沒有影響他繼續(xù)探索的熱情。讀博士期間，他持續(xù)深入研究探索海洋聲學(xué)波導(dǎo)廣域聲學(xué)遙測方法，還針對非等距排列水聽器拖線陣，開發(fā)了能夠有效提升角分辨率（2～3倍）及陣列增益（約4分貝）的優(yōu)化波束成型算法，因該成果，王德麟曾受邀前往第174屆美國聲學(xué)年會進(jìn)行特邀報(bào)告。最后一年，他又將目標(biāo)轉(zhuǎn)向水聲接收陣研發(fā)。

“我給自己博士選的最后一個(gè)項(xiàng)目，是為我們的水下信息遙測成像技術(shù)，設(shè)計(jì)一套可靠的輕型水聽器陣列?！闭劦阶约翰┦孔詈笠欢螘r(shí)間的工作，王德麟顯得很興奮，“一直以來制約我們的水下遙測技術(shù)得以應(yīng)用的瓶頸之一就是聲學(xué)采集設(shè)備，課題組使用的拖曳陣已經(jīng)有20多年了，每次使用的維護(hù)成本愈來愈高，而實(shí)驗(yàn)效果卻愈來愈差。我想針對我們研發(fā)的水下遙測成像技術(shù)，自己動手設(shè)計(jì)一套配套的輕型拖曳陣列，解決水下信息大范圍實(shí)時(shí)感知的設(shè)備問題?！?/p>

王德麟和實(shí)驗(yàn)室同事們陸續(xù)克服了電路設(shè)計(jì)、流噪聲優(yōu)化、水密封裝等一系列問題，采用聚氨酯封裝，制成了8元的輕型水聽器陣列原型，克服了油充陣列維護(hù)困難、可靠性低等缺點(diǎn)。水聽器陣列的海試取得了不錯(cuò)的成果。自研的水聽器列陣不僅具備良好的信號采集能力，其拖曳噪聲、自噪聲與角度分辨性能都達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。美國國家自然科學(xué)基金NSF不久后基于該設(shè)計(jì)方案，啟動了海洋被動聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目，用以資助新型拖曳陣硬件與成像軟件開發(fā)。

Purnima R. Makris教授對王德麟博士期間的工作給予了高度肯定?！八牟┦抗ぷ魇重S富，從物理模型到算法設(shè)計(jì)，從程序開發(fā)到硬件研制，為海洋聲學(xué)遙測系統(tǒng)發(fā)展提供了系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。他身上還透露著一種適者生存的叢林競爭意識，促使他一步步取得成功?！?/p>

結(jié)束博士學(xué)業(yè)后的王德麟又前往了美國麻省理工大學(xué)從事海洋工程方向的博士后研究工作。從博士到博士后，7年的海外研究經(jīng)歷，磨煉了他的科研態(tài)度，并且讓他擁有了水聲成像、海洋工程，以及電子信息等方向豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

回國助力海洋強(qiáng)國建設(shè)

2019年，王德麟決定帶著一身學(xué)識回國，加入浙江大學(xué)海洋學(xué)院，投入到國家“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略建設(shè)中。國家海洋事業(yè)的發(fā)展正值實(shí)力和速度的快速上升期，急需專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)人才。而對于準(zhǔn)備一展抱負(fù)的王德麟來說，國家的發(fā)展戰(zhàn)略正好為他注射了一針強(qiáng)心劑。

浙江大學(xué)海洋學(xué)院雖然從建院時(shí)間上看尚屬年輕，但在研究方面一直以來都得到當(dāng)?shù)卣拇罅χС?，?shí)驗(yàn)裝備的性能質(zhì)量在國內(nèi)也是首屈一指，并且學(xué)院內(nèi)對人才引進(jìn)相當(dāng)重視?！罢憬髮W(xué)海洋學(xué)院的活力讓我看到了這里的機(jī)遇與潛力，通過與學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)幾次交流，我相信這里是我回國開展新工作的最佳平臺?！?019年，王德麟加入了浙江大學(xué)海洋學(xué)院，開始結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘與人工智能技術(shù)，開展聲光電磁聯(lián)合的水下立體遙測體系理論與技術(shù)研發(fā)，并致力于解決海洋聲學(xué)遙測的工程應(yīng)用困難問題。

他告訴記者：“我們的理想是在水下實(shí)現(xiàn)猶如陸地或海面上衛(wèi)星觀測一般的信息實(shí)時(shí)大范圍高精度的感知能力。然而海域廣闊而資源受限，‘透明海洋’受制于海-氣界面天然屏障，相對于航空遙感和衛(wèi)星遙感對海洋表面環(huán)境監(jiān)測的成熟性，目前遠(yuǎn)未形成水上水下立體環(huán)境的大范圍遙測體系能力。”基于大孔徑水聽器拖曳陣設(shè)備的海洋波導(dǎo)聲學(xué)遙測成像技術(shù)能提供一種水下環(huán)境信息監(jiān)測的新方法，雖然在實(shí)時(shí)觀測范圍與成像精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)觀測方式，然而該技術(shù)性能受大孔徑拖曳陣設(shè)備制約，維護(hù)成本與部署難度均極大，難以進(jìn)一步推廣。同時(shí)，海洋中的多物種魚類、海面海底、水下山脊、哺乳生物以及其他水下航行器都是聲波的有效散射體，如何有效識別不同類型目標(biāo)也都成為了困擾從事海洋信息感知研究人員的難題。

遇到問題就迎難直上，這是王德麟在博士時(shí)期面對壓力時(shí)形成的觀念，既然實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)太大，那干脆就將其做成小型化的裝備。他在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于分布式小型水聽器拖曳陣列的海洋環(huán)境聲學(xué)遙測成像方法研究”中，提出了研究基于分布式小型水聽器拖曳陣列的廣域海洋環(huán)境實(shí)時(shí)聲學(xué)成像方法。通過結(jié)合小型拖曳陣陣列增益與多基地融合成像的優(yōu)勢，解決單套大孔徑拖曳陣部署與維護(hù)的困難，克服波束形成在陣列首尾端分辨率下降以及左右側(cè)模糊性。同時(shí)，為了將研究做到盡善盡美，他還計(jì)劃針對觀測系統(tǒng)可搭載于無人船、波浪滑翔機(jī)等小型移動觀測平臺上的特點(diǎn)，研究針對特定區(qū)域海洋混響噪聲抑制的最優(yōu)化排布方法，最后基于觀測成像數(shù)據(jù)，研發(fā)海洋魚群與哺乳生物識別技術(shù)，并用于大范圍海洋魚類與哺乳生物儲量調(diào)查與生物行為觀測。

“想要真正在水下實(shí)現(xiàn)猶如陸地衛(wèi)星般的觀測能力，就必須解決觀測設(shè)備與目標(biāo)識別的問題。我希望能通過該研究，降低海洋波導(dǎo)聲學(xué)成像應(yīng)用難度，提高海洋環(huán)境遙測能力，為海洋環(huán)境觀測與資源調(diào)查管理提供有效的工具?！蓖醯瞒胝Z氣篤定地說道。

和同事在回收聲學(xué)成像水聽器陣

規(guī)劃心中海洋觀測藍(lán)圖

如今，圍繞心中規(guī)劃的海洋觀測藍(lán)圖，王德麟還在思考如何解決海洋信息觀測過程中的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。目前使用的船載通信設(shè)備，其通信能力遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)時(shí)觀測需求，通信帶寬首先與通信鏈路的不穩(wěn)定是一直以來限制海洋信息觀測的重大瓶頸?！熬秃孟駢艋氐搅藦那皳芴柹暇W(wǎng)的時(shí)期?！蓖醯瞒腴_玩笑地說道。

遠(yuǎn)洋通信問題不僅困擾著出海實(shí)驗(yàn)的科研人員，同樣也影響著海洋工作人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全，極大地限制了互聯(lián)網(wǎng)+漁業(yè)的發(fā)展。王德麟回國后，和海洋電子所的同事們開展了“面向低軌衛(wèi)星通信的船載寬帶相控陣系統(tǒng)及其在星-海協(xié)同感知中的示范應(yīng)用”項(xiàng)目，在開發(fā)基于自主芯片的低軌衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)上，構(gòu)建船載相控陣系統(tǒng)及星海協(xié)同精細(xì)遙感系統(tǒng)，并在灣區(qū)開展示范應(yīng)用。王德麟希望通過該項(xiàng)目達(dá)到支撐廣泛的智慧海洋應(yīng)用的目的，在提高相關(guān)部門在海洋治理和管控、維護(hù)航運(yùn)安全等方面的技術(shù)的同時(shí)，滿足研究人員更高實(shí)時(shí)性、更豐富觀測數(shù)據(jù)的需求。

此外，他的課題組還致力于將海洋聲學(xué)遙測技術(shù)應(yīng)用于海洋牧場生態(tài)環(huán)境與生物資源監(jiān)測中，解決牧場監(jiān)測自動化程度低、生態(tài)災(zāi)害預(yù)警能力薄弱等問題。王德麟在參與的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“現(xiàn)代化海洋牧場高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)安全保障技術(shù)”中，將海洋聲學(xué)遙測技術(shù)與新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，研發(fā)了面向牧場環(huán)境的漁業(yè)資源大范圍聲學(xué)遙測成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對淺海環(huán)境內(nèi)大尺度魚群密度分布信息的實(shí)時(shí)成像，并開展了成像系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與集成。

目前，他的團(tuán)隊(duì)成員有兩位浙江大學(xué)海洋工程與技術(shù)專業(yè)的碩士，并且他們都有海洋人工智能、信號通信及水聲學(xué)方向的學(xué)科背景。對于這樣的成員，王德麟很滿意，他認(rèn)為，學(xué)科交叉是未來關(guān)于海洋聲學(xué)遙測研究的大趨勢，而且也便于解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題。除此之外，他的麾下還招收了兩名具有水聲學(xué)和光學(xué)研究背景的博士，希望能將光學(xué)的算法加入到海洋遙測分布式成像的研究中。

王德麟介紹這些的時(shí)候，心里已經(jīng)對團(tuán)隊(duì)今后的發(fā)展路線有了清晰的輪廓?！拔覀兾磥砜隙〞^續(xù)從事分布式成像的研究，我們研發(fā)出的陣列協(xié)同方法不僅對于通信的壓力相對較低，而且對于短期內(nèi)的工程化落地也更容易實(shí)現(xiàn)，我希望它能夠成為被大家廣泛認(rèn)同的研究方法之一?！碑?dāng)然，他的發(fā)展藍(lán)圖還不止這些?！拔覀冞€將開展更多能夠解決地方實(shí)際問題的工作，將關(guān)于海洋牧場的研究成果應(yīng)用到諸如渤海、東海等更多的海域，實(shí)現(xiàn)海洋牧場在宏觀尺度上的魚群儲量監(jiān)測?！痹谕醯瞒肟磥?，這些是漁民當(dāng)下正需要解決的問題。

王德麟告訴記者，看到自身研發(fā)的技術(shù)能真正支持國家“關(guān)心海洋、認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋”重大戰(zhàn)略，轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)與社會效益，是他從事科研最大的成就感來源。他希望在未來能夠帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將水聲技術(shù)發(fā)展到更深的海域，不只是1000米或者2000米，而是在4000米甚至1萬米的深海溝進(jìn)行環(huán)境遙測?！霸缴钊氲睾秃Ｑ蟠蚪坏溃桨l(fā)能理解它的浩瀚。想真正揭開這深邃而美麗的海洋的面紗是一個(gè)很長遠(yuǎn)的愿景，但我希望能用勤奮與探索的精神，陪伴祖國海洋發(fā)展，見證愿景的實(shí)現(xiàn)！”