海洋水聲物理方向的國內(nèi)學(xué)科建設(shè)情況調(diào)研

肖汶斌 藍(lán)強(qiáng) 王得志 王勇獻(xiàn)

[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(shí)空因素相關(guān)特性的重要學(xué)科方向，在未來的“海洋世紀(jì)”中將獲得更為廣闊的發(fā)展空間。在廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，選取國內(nèi)重點(diǎn)高校和科研機(jī)構(gòu)，圍繞基礎(chǔ)條件、師資隊(duì)伍、主要研究方向開展了學(xué)科建設(shè)情況調(diào)研，為新時(shí)代氣象海洋學(xué)科體系建設(shè)提供有益借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞] 海洋;水聲物理;學(xué)科建設(shè);哈爾濱工程大學(xué)

聲波在海洋水體介質(zhì)中良好的傳播性使其成為進(jìn)行海洋研究的主要信息載體[1]。水下聲波實(shí)質(zhì)上是流體質(zhì)點(diǎn)壓強(qiáng)的脈動(dòng)，通過求解流體介質(zhì)的波動(dòng)方程可獲得水下聲場的細(xì)節(jié)信息，在一定的模型假設(shè)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(fù)雜多變[3]。聲波與水體、界面相互作用規(guī)律及其頻率與時(shí)空因素相關(guān)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(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)、主要研究方向三個(gè)維度，重點(diǎn)調(diào)研了哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所和海軍潛艇學(xué)院，梳理海洋水聲物理方向的國內(nèi)學(xué)科建設(shè)情況。

一、哈爾濱工程大學(xué)

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

（一）條件建設(shè)

哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院在海洋水聲物理方向的教學(xué)與科研設(shè)施十分先進(jìn)，承擔(dān)了多個(gè)國家和軍隊(duì)科研項(xiàng)目，獲得多項(xiàng)國家級和省部級科技獎(jiǎng)勵(lì)。作為國內(nèi)水聲技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的創(chuàng)新源頭，哈爾濱工程大學(xué)的水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在水聲信息處理、聲納環(huán)境建模、水聲信道模擬、水洞實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域具有雄厚的科研實(shí)力，為水聲技術(shù)自主創(chuàng)新和高層次人才培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）師資隊(duì)伍建設(shè)

哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院擁有以楊士莪院士、楊德森院士領(lǐng)銜的結(jié)構(gòu)完整、力量雄厚的師資隊(duì)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(dǎo)師，第一批國務(wù)院特殊津貼獲得者。他創(chuàng)建了國內(nèi)第一個(gè)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(shè)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(shí)現(xiàn)了洲際彈道導(dǎo)彈海上落點(diǎn)的水聲測量，解決了水面、水下和海底目標(biāo)位置以及水下航行體軌跡定位問題，為我國水聲導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。楊德森院士是國內(nèi)最先從事矢量水聽器技術(shù)研究的專家之一，長期從事水下目標(biāo)特性的分析與特征提取工作，在水中目標(biāo)噪聲特性測量分析、水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(xué)水聲工程學(xué)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(yīng)的特征規(guī)律[4];應(yīng)用耦合簡正波理論分析孤立子內(nèi)波移動(dòng)對水聲傳播帶來的起伏規(guī)律，使用拋物型方程進(jìn)行水聲場的數(shù)值計(jì)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(qiáng)度的實(shí)用方法;從聲吸收基本原理、海水化學(xué)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(qiáng)度與典型物理參數(shù)的相互關(guān)系;研究組成角反射體的水負(fù)載彈性板的彈性散射波、水下凹面目標(biāo)散射聲場計(jì)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(xué)標(biāo)記物時(shí)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(dǎo)模型，研究Scholte表面波及次表面波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和質(zhì)點(diǎn)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(xué)

西北工業(yè)大學(xué)的聲學(xué)與信息工程系主要從事聲納技術(shù)、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(xué)與電子工程等應(yīng)用基礎(chǔ)和工程技術(shù)研究。該系具有信息對抗技術(shù)和水聲工程兩個(gè)本科專業(yè)。水聲工程學(xué)科點(diǎn)于1981年和1990年分別獲碩士和博士學(xué)位授予權(quán)。

（一）條件建設(shè)

水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由西北工業(yè)大學(xué)和中船重工集團(tuán)第705研究所共同建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)開展復(fù)雜海洋環(huán)境下水下航行器精確導(dǎo)航與控制、水下探測和信息處理、運(yùn)動(dòng)體仿真等研究。實(shí)驗(yàn)室自設(shè)立以來，承擔(dān)了大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)任務(wù)，先后獲得多項(xiàng)國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)和省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)。目前，該實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍不斷發(fā)展壯大，科研隊(duì)伍素質(zhì)高，取得了一批高水平的科研成果，為國民經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域培養(yǎng)了一大批高級人才，對水下信息與控制技術(shù)發(fā)展起到了顯著的支撐和推動(dòng)作用。

（二）師資隊(duì)伍建設(shè)

西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院的聲學(xué)與信息工程系教學(xué)和科學(xué)研究力量雄厚，現(xiàn)有中國工程院院士2人，聲納技術(shù)被國防科工委評為“國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”，聲學(xué)與信息對抗技術(shù)團(tuán)隊(duì)被評為“陜西省優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)”。

馬遠(yuǎn)良院士是我國水聲工程與信息處理技術(shù)專家，2003年當(dāng)選為中國工程院院士。馬遠(yuǎn)良院士長期從事水聲工程和信息電子技術(shù)研究，主持航空聲納裝備研制，是該領(lǐng)域的開拓者和學(xué)術(shù)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(shè)計(jì)的“凹槽噪聲場法”，成功運(yùn)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?yàn)V波的概念，推導(dǎo)出相應(yīng)的理論解;拓展了傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)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(gè)水下信號處理自適應(yīng)算法。

（三）主要研究方向

西北工業(yè)大學(xué)在水聲物理方向的主要研究內(nèi)容包括以下方面：復(fù)雜環(huán)境下的水下聲場建模、目標(biāo)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(jī)理等;探究空中高速運(yùn)動(dòng)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(jì)、干擾抑制與微弱信號檢測、目標(biāo)分類與識別、自適應(yīng)信號處理與匹配場處理等;聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、聲納信號與信息處理、水聲換能器及其基陣設(shè)計(jì)、新型航空聲納研制、新概念聲納和網(wǎng)絡(luò)化綜合探測體制研究等。

三、中國海洋大學(xué)

（一）條件建設(shè)

1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室。青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)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(jī)制的背景下產(chǎn)生的，直接服務(wù)于國家海洋戰(zhàn)略開展相關(guān)的科研與教學(xué)工作。目前，該實(shí)驗(yàn)室聚焦海洋科技資源配置、海洋資源共建共享、海洋基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研發(fā)等現(xiàn)實(shí)任務(wù)，匯聚了一大批海洋領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家和高層次人才隊(duì)伍。

2.物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有以物理海洋為特色，兼顧氣象學(xué)、大氣物理、大氣環(huán)境、應(yīng)用海洋學(xué)的學(xué)科體系，主要瞄準(zhǔn)國家海洋戰(zhàn)略需求開展物理海洋等方向的前瞻性科學(xué)研究工作。該實(shí)驗(yàn)室配置了大型風(fēng)-浪-流水槽、旋轉(zhuǎn)水槽、內(nèi)波水槽、大型/超級計(jì)算機(jī)集群等先進(jìn)設(shè)備，是國內(nèi)海洋學(xué)國家理科人才培養(yǎng)的重要基地。

（二）師資隊(duì)伍建設(shè)

文圣常院士長期從事海浪理論及其應(yīng)用的研究，主要成果包括海浪計(jì)算與數(shù)值預(yù)報(bào)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(yùn)方面的研究成果尤為突出。作為青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域的多個(gè)創(chuàng)新性研究成果。

（三）主要研究方向

中國海洋大學(xué)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(shí)空變化規(guī)律，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)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(shí)間的統(tǒng)計(jì)特性反演海底統(tǒng)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)反演策略、分層海底模型假設(shè)下的多頻聯(lián)合統(tǒng)計(jì)反演海底聲學(xué)參數(shù)策略。

四、中科院聲學(xué)所

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成立于上世紀(jì)六十年代，主要致力于聲學(xué)和信息處理技術(shù)學(xué)科的應(yīng)用基礎(chǔ)和高技術(shù)發(fā)展研究，著力提升海洋、能源、生命健康和信息網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新和競爭能力，目前在國內(nèi)海洋聲學(xué)領(lǐng)域保持著鮮明特色和不可替代的地位。

（一）條件建設(shè)

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

（二）師資隊(duì)伍建設(shè)

中國科學(xué)院聲學(xué)所共有在職職工800多人，擁有聲學(xué)、信號與信息處理、地球探測與信息技術(shù)等多個(gè)方向的博士、碩士研究生培養(yǎng)點(diǎn)。張仁和院士在水聲物理與應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)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(yàn)，積累了淺海與深海水聲傳播的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料，其系列研究成果使我國的淺海聲學(xué)研究處于國際先進(jìn)地位。

（三）主要研究方向

中國科學(xué)院聲學(xué)所聚焦的學(xué)科方向包括水聲學(xué)、超聲學(xué)和空氣聲學(xué)，重視開展基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、前瞻性的聲學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。目前，中國科學(xué)院聲學(xué)所具有多個(gè)特色研究方向，在水聲物理與水聲探測技術(shù)領(lǐng)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(guān)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(shù)緊密結(jié)合。

五、海軍潛艇學(xué)院

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

依托海軍戰(zhàn)術(shù)水聲數(shù)據(jù)中心，海軍潛艇學(xué)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(chǔ)上，推導(dǎo)參考界面相位修正的一致表達(dá)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下的用于水下聲場計(jì)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(jì)算;利用海洋環(huán)境噪聲測量潛標(biāo)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(fēng)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(dǎo)航、識別、通信等工程應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域方向，重點(diǎn)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(chǔ)理論要求高、學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。可以預(yù)見，水聲物理在21世紀(jì)將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。通過梳理國內(nèi)重點(diǎn)高校和研究機(jī)構(gòu)在水聲物理方向的學(xué)科建設(shè)情況，為新時(shí)代氣象海洋學(xué)科體系建設(shè)提供有益借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]楊士莪.水聲技術(shù)及在我國的發(fā)展[C]中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會“科學(xué)技術(shù)面向新世紀(jì)”學(xué)術(shù)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(xué)，2006.

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

[5]楊坤德，馬遠(yuǎn)良，張忠兵等.不確定環(huán)境下的穩(wěn)健自適應(yīng)匹配場處理研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2006，31（3）：255-262.