海平面下的“千里眼”

武光磊

深海是地球表面最后一塊人類遠未涉足的區(qū)域，蘊藏著豐富的資源，是人類社會謀求未來生存與發(fā)展的戰(zhàn)略新疆域，也是當今大國競爭的焦點。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》雜志報道了一項研究成果，利用“海洋聲學遙測”技術，研究人員成功在大陸架尺度實現(xiàn)了對水下信息精確實時成像，引起了世界海洋研究領域的廣泛關注。這篇工作的作者正是如今浙江大學海洋學院研究員王德麟。而當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國，在強手環(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，方有可能真正實現(xiàn)海洋強國。我希望自己能在海洋觀測領域，給國家海洋技術貢獻一塊磚。”多年來，王德麟致力于海洋信息觀測技術研究，探索能夠大范圍、精準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“關心海洋、認識海洋、領略海洋”戰(zhàn)略貢獻的一塊鋪路石。

一個物理出身的水聲博士

2005年，王德麟拿著自然科學興趣的入場券，踏入南京大學物理學專業(yè)的大門。作為我國該領域最高水平的院校之一，南京大學物理學院幫助王德麟在打下扎實的物理基礎的同時，也養(yǎng)成了以物理的視角去理解客觀世界，以數(shù)學的思維去思考科學問題的習慣，并對他后來逐步形成嚴謹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隨Purnima R. Makris教授攻讀電子工程博士學位。他選擇了水聲遙測技術作為自己下一階段的研究方向，并同時追求將物理理論與工程實踐相互結合。

國外的學習經歷一開始并不順利。學物理出身的王德麟需要更多的時間學習融入聲學研究，同時水下聲遙測本身已經發(fā)展超過了1個多世紀，在現(xiàn)有基礎上發(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)，對一個留學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。

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突破的關鍵?！彼_始給自己的科研工作提速，積極和教授學習討論，嚴格要求自己同時達到速度與質量的高標準，通宵達旦、廢寢忘食成了他那時的家常便飯。兩年的拼命沒有白費，他基于海洋聲學波導的物理模型，提出了主、被動結合的海洋聲學波導遙測技術，利用海氣和海底兩個界面的阻抗不匹配形成聲學波導，大大降低了聲波傳輸損耗。進一步，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聲學成像系統(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散射回波并根據(jù)目標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現(xiàn)了多種海洋生物探測、識別，并對其分布成像，實時觀測范圍達30萬平方公里以上。由于該工作對水下信息遙測技術發(fā)展具有的重要價值，王德麟在博士第三年以第一作者身份在世界頂尖科學雜志《自然》上發(fā)表了這項工作。那段經歷讓他進一步堅定了自己科工結合的科研理念。同時，科研路上的“叢林法則”也助他養(yǎng)成了時刻緊迫、事事盡善盡美的習慣。

深入探索水聲遙測技術

第一篇高水平學術論文的發(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波導廣域聲學遙測方法，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屆美國聲學年會進行特邀報告。最后一年，他又將目標轉向水聲接收陣研發(fā)。

“我給自己博士選的最后一個項目，是為我們的水下信息遙測成像技術，設計一套可靠的輕型水聽器陣列?！闭劦阶约翰┦孔詈笠欢螘r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得以應用的瓶頸之一就是聲學采集設備，課題組使用的拖曳陣已經有20多年了，每次使用的維護成本愈來愈高，而實驗效果卻愈來愈差。我想針對我們研發(fā)的水下遙測成像技術，自己動手設計一套配套的輕型拖曳陣列，解決水下信息大范圍實時感知的設備問題。”

王德麟和實驗室同事們陸續(xù)克服了電路設計、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困難、可靠性低等缺點。水聽器陣列的海試取得了不錯的成果。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到了預期指標。美國國家自然科學基金NSF不久后基于該設計方案，啟動了海洋被動聲學監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)項目，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計，從程序開發(fā)到硬件研制，為海洋聲學遙測系統(tǒng)發(fā)展提供了系統(tǒng)的貢獻。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>

結束博士學業(yè)后的王德麟又前往了美國麻省理工大學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驗。

回國助力海洋強國建設

2019年，王德麟決定帶著一身學識回國，加入浙江大學海洋學院，投入到國家“海洋強國”戰(zhàn)略建設中。國家海洋事業(yè)的發(fā)展正值實力和速度的快速上升期，急需專業(yè)領域的相關人才。而對于準備一展抱負的王德麟來說，國家的發(fā)展戰(zhàn)略正好為他注射了一針強心劑。

浙江大學海洋學院雖然從建院時間上看尚屬年輕，但在研究方面一直以來都得到當?shù)卣拇罅χС?，實驗裝備的性能質量在國內也是首屈一指，并且學院內對人才引進相當重視。“浙江大學海洋學院的活力讓我看到了這里的機遇與潛力，通過與學院領導幾次交流，我相信這里是我回國開展新工作的最佳平臺。”2019年，王德麟加入了浙江大學海洋學院，開始結合數(shù)據(jù)挖掘與人工智能技術，開展聲光電磁聯(lián)合的水下立體遙測體系理論與技術研發(fā)，并致力于解決海洋聲學遙測的工程應用困難問題。

他告訴記者：“我們的理想是在水下實現(xiàn)猶如陸地或海面上衛(wèi)星觀測一般的信息實時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，目前遠未形成水上水下立體環(huán)境的大范圍遙測體系能力?！被诖罂讖剿犉魍弦逢囋O備的海洋波導聲學遙測成像技術能提供一種水下環(huán)境信息監(jiān)測的新方法，雖然在實時觀測范圍與成像精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)觀測方式，然而該技術性能受大孔徑拖曳陣設備制約，維護成本與部署難度均極大，難以進一步推廣。同時，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期面對壓力時形成的觀念，既然實驗系統(tǒng)太大，那干脆就將其做成小型化的裝備。他在國家自然科學基金項目“基于分布式小型水聽器拖曳陣列的海洋環(huán)境聲學遙測成像方法研究”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)境實時聲學成像方法。通過結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模糊性。同時，為了將研究做到盡善盡美，他還計劃針對觀測系統(tǒng)可搭載于無人船、波浪滑翔機等小型移動觀測平臺上的特點，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，并用于大范圍海洋魚類與哺乳生物儲量調查與生物行為觀測。

“想要真正在水下實現(xiàn)猶如陸地衛(wèi)星般的觀測能力，就必須解決觀測設備與目標識別的問題。我希望能通過該研究，降低海洋波導聲學成像應用難度，提高海洋環(huán)境遙測能力，為海洋環(huán)境觀測與資源調查管理提供有效的工具。”王德麟語氣篤定地說道。

規(guī)劃心中海洋觀測藍圖

如今，圍繞心中規(guī)劃的海洋觀測藍圖，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備，其通信能力遠未達到實時觀測需求，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)的時期。”王德麟開玩笑地說道。

遠洋通信問題不僅困擾著出海實驗的科研人員，同樣也影響著海洋工作人員的生命與財產安全，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)同感知中的示范應用”項目，在開發(fā)基于自主芯片的低軌衛(wèi)星通信的基礎上，構建船載相控陣系統(tǒng)及星海協(xié)同精細遙感系統(tǒng)，并在灣區(qū)開展示范應用。王德麟希望通過該項目達到支撐廣泛的智慧海洋應用的目的，在提高相關部門在海洋治理和管控、維護航運安全等方面的技術的同時，滿足研究人員更高實時性、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遙測技術應用于海洋牧場生態(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)災害預警能力薄弱等問題。王德麟在參與的國家重點研發(fā)計劃“現(xiàn)代化海洋牧場高質量發(fā)展與生態(tài)安全保障技術”中，將海洋聲學遙測技術與新型物聯(lián)網(wǎng)技術結合，研發(fā)了面向牧場環(huán)境的漁業(yè)資源大范圍聲學遙測成像技術，實現(xiàn)了對淺海環(huán)境內大尺度魚群密度分布信息的實時成像，并開展了成像系統(tǒng)設備的設計與集成。

目前，他的團隊成員有兩位浙江大學海洋工程與技術專業(yè)的碩士，并且他們都有海洋人工智能、信號通信及水聲學方向的學科背景。對于這樣的成員，王德麟很滿意，他認為，學科交叉是未來關于海洋聲學遙測研究的大趨勢，而且也便于解決復雜系統(tǒng)的問題。除此之外，他的麾下還招收了兩名具有水聲學和光學研究背景的博士，希望能將光學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候，心里已經對團隊今后的發(fā)展路線有了清晰的輪廓。“我們未來肯定會繼續(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，而且對于短期內的工程化落地也更容易實現(xiàn)，我希望它能夠成為被大家廣泛認同的研究方法之一?！碑斎唬陌l(fā)展藍圖還不止這些?！拔覀冞€將開展更多能夠解決地方實際問題的工作，將關于海洋牧場的研究成果應用到諸如渤海、東海等更多的海域，實現(xiàn)海洋牧場在宏觀尺度上的魚群儲量監(jiān)測?！痹谕醯瞒肟磥恚@些是漁民當下正需要解決的問題。

王德麟告訴記者，看到自身研發(fā)的技術能真正支持國家“關心海洋、認識海洋、經略海洋”重大戰(zhàn)略，轉化為實實在在的經濟與社會效益，是他從事科研最大的成就感來源。他希望在未來能夠帶領團隊將水聲技術發(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很長遠的愿景，但我希望能用勤奮與探索的精神，陪伴祖國海洋發(fā)展，見證愿景的實現(xiàn)！”