海洋聲學信息感知實驗室海洋聲學實驗與人才培養

李 輝，楊坤德，段順利，楊秋龍

（1.西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 海洋聲學信息感知工業和信息化部重點實驗室，陜西 西安 710072）

1996年，我國將海洋領域納入“863計劃”[1]。海洋是我國經濟社會發展的重要戰略空間，在國家經濟社會發展全局中的地位和作用日益突出。黨的十八大作出了建設海洋強國的重大戰略部署[2]。海洋科技在經濟社會發展中的引領支撐作用日顯重要。在黨的十九大報告中，堅持陸海統籌、加快建設海洋強國成為區域協調發展戰略的重要組成部分[3]。在新的歷史發展方位下，藍色海洋、綠色海洋以及智慧海洋是海洋強國建設長遠可持續發展的重要途徑[4-6]。此外，海洋強國建設是一個長期的系統工程，以國防領域為例，需要在海洋工程裝備制造及高新技術發展等方面投入更多的精力和財力。

要早日實現海洋強國夢，人才培養是關鍵，高校又是培養人才的發源地和聚集地。為落實“優先發展教育，建設人力資源強國”的戰略部署，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》（以下簡稱《綱要》），明確提出要促進教育事業科學發展，提高人才培養質量。高校實驗室集中了高校主要的技術設備和教學科研資源，是科技創新及人才培養的重要場所，也是服務社會的重要平臺和保障[7-10]。

在此背景下，我校航海學院依托船舶與海洋工程國家一級學科，通過“985工程”二期、三期建設和“211工程”三期建設，申報建立了海洋聲學信息感知工業和信息化部重點實驗室。該實驗室的建設運行為水下聲場聲信息感知相關的前沿基礎研究和工程應用研究提供了必備的實驗研究條件，成為我國水聲學、水聲信息處理和海洋技術人才培養的重要基地之一。本文以實驗室管理為切入點，依托科研項目開展的多次海上實驗，著重人才培養，探討實驗室發展和人才培養機制。

1 海洋聲學信息感知重點實驗室

1.1 實驗室建設目標

我校船舶與海洋工程是一級學科，包含水聲工程和船舶與海洋結構物設計制造兩個二級學科。2007年，水聲工程學科被批準為國家重點學科，并依托水聲工程學科建立了船舶與海洋工程博士后流動站。2010年，教育部設置“水聲工程”為戰略性新興產業相關本科新專業。2015年，海洋聲學信息感知首批獲得工業和信息化部重點實驗室。

目前，國內外海洋聲學信息感知領域最新進展和發展趨勢可歸納為：將復雜、動態的海洋環境與海洋聲學緊密結合，開展深遠海研究；將海洋聲學物理特性與水聲信號處理緊密結合，提升水聲系統的環境適應性信息處理能力；結合重大海洋工程與海洋開發項目，發展可靠的海洋信息監測系統。

因此，海洋聲學信息感知實驗室以國家海洋強國戰略和國防建設需求為導向，面向“深化近淺海、開拓深遠海”的國家發展戰略，緊緊圍繞海洋開發利用、海洋信息監測、水下目標遠程探測等重大戰略需求和重大科技難題，開展海洋聲學、水聲信息處理、水聲系統設計與集成等方面的高水平科研工作。聚集和培養一批優秀的科技人才，開展高層次國內外學術交流，促進科技成果轉化，為海洋經濟建設、海洋國防建設提供平臺支撐。

1.2 實驗室運行管理架構

高校實驗室建設與管理是一項長期而復雜的工程，實驗室日常管理、隊伍建設等依然是高校理工科實驗室比較薄弱的環節[11-13]。良好的管理體系是實驗室良性發展的必備條件。

海洋聲學信息感知實驗室屬于工業和信息化部歸口管理，我校是該實驗室建設和運行管理的具體負責單位，學校科學技術研究院作為學校各級各類實驗室的管理部門，具體負責對實驗室的日常管理并進行督促檢查。海洋聲學信息感知實驗室的運行管理架構如圖1所示。重點實驗室下設辦公室和3個研究室，分別對應3個主要研究方向（海洋聲學、水聲信息處理和水聲系統設計與集成），并設有研究方向負責人和學術帶頭人，共同支撐重點實驗室的科學研究、學術交流和成果轉化。實驗室辦公室設3個崗位，配合實驗室主任、副主任做好管理與服務工作。此外，2016年實驗室成立了首屆學術委員會，聘請30多位行業內知名學者作為實驗室的客座教授，此外實驗室已建立并完善了實驗室管理制度。

圖1 實驗室運行管理架構

1.3 實驗室師資隊伍

雄厚的師資力量是實驗室人才培養的重要支撐。海洋聲學信息感知實驗室現有專任教師 70余人，其中，中國工程院院士3人，國家杰出青年基金獲得者1人，教育部長江學者特聘教授1人，“萬人計劃”領軍人才2人等。2019年，實驗室新增國家級和省部級人才稱號4人次，青年人才托舉計劃入選者5人。良好的師資隊伍確保了實驗教學與科研工作的順利開展。

1.4 實驗室設施設備

一流的實驗設施和儀器設備是實驗室項目建設的基石。在已有的實驗設施中，消聲水池是典型代表，如圖2所示。1988年，我校建成了當時全國最大的多用途消聲水池，可模擬聲學海洋環境，進行多類型水下聲學科學實驗。消聲水池長20 m × 寬8 m × 深 7 m，消聲單元體采用楔形橡膠尖霹板，單元體等間隔排列在水池6個面上，形成低頻寬帶平行通道消聲結構，以達到模擬海洋環境的效果。消聲水池主要用于聲納等國家重點型號的科研研制，以及水聲工程學科的基礎科學實驗研究。目前，我校歸屬實驗室的儀器設備有100余臺套，為優化科技資源配置，提高大型儀器設備使用效率，將50萬元以上的儀器設備逐步納入學校和學院的開放共享管理體系。

圖2 消聲水池

2 海上實驗

2.1 項目支撐

依托海洋聲學信息感知重點實驗室，我校航海學院承擔了一系列科研項目。其中 2019年實驗室新增國家重點研發計劃、國家海洋重大專項和國家自然基金等40余項、省部級項目10余項，經費總額超1億元，保障了實驗室三大方向的科學研究。在10余年研究基礎上，實驗室突破了水聲數據遠程高速傳輸技術，并于2019年獲國家技術發明二等獎1項。此外，我校航海學院已成為能夠獨立承擔海洋聲學綜合考察任務的國內少數幾個單位之一。高水平科研項目有力地支撐了實驗室的運行與發展。

2.2 實驗組織

海洋聲學是一門實驗科學，其創新發展離不開海上實驗數據的獲取與分析。區別于水池實驗和湖上實驗，海上實驗需要隨時應對惡劣海況、實驗儀器設備故障或實驗人員暈船等不利因素。根據實驗室多年海上實驗組織經驗，從實驗準備到實驗數據分析全過程需要“分工明確，責任到人”。

2.2.1 方案設計

項目負責人組織海上實驗實施方案的編寫和論證。實施方案主要包括技術方案、設備方案、任務分工、應急方案和數據收集分析等。技術方案是否合理關系到項目技術指標的考核，在技術方案論證過程中需要結合實驗海域地形和歷史水文數據資料開展充分的數值模擬。技術方案是實施方案的核心，除非遇到不可抗力，臨時調整技術方案容易造成后續工作準備不充分，進而可能帶來實驗風險。實驗設備是完成實驗的手段，任務分工則圍繞實驗設備，以小組形式配備相應的實驗人員。應急預案主要從安全角度考慮各種應對策略。

2.2.2 現場組織

實驗設備收放過程是海上實驗現場組織的重點環節。實驗設備收放需要在有限的時間內完成所有規定動作，對實驗人員的體力、注意力以及應變能力都是很大的考驗。準備充分、檢查仔細是設備成功布放和回收的前提，布放回收過程中配合是關鍵。圖3是海上實驗聲源設備吊放過程。聲源設備主要由絞車的鋼纜承重，為了設備安全，另有凱夫拉繩連接聲源設備的承重部分，并且為了利于布放回收，設備電纜和凱夫拉繩通過白布條捆綁在一起。圖4是布放過程中的自容式采集系統。為了采集高質量水聲信號，設備與凱夫拉繩之間需要足夠“牢靠”，不能出現松動或滑動。

圖3 海上實驗聲源設備吊放

圖4 海上實驗自容式采集系統

2.2.3 數據記錄

海上實驗過程中，多種儀器設備協同工作的一個重要細節是設備時間同步。海上實驗是綜合實驗，除了常規的水聲信號發射和接收外，船舶位置、水深、流速、流向、海況，以及周邊航船情況等是由不同的設備測量完成，并且每個設備的時鐘都有可能出現偏移。因此，如果忽視了設備之間的時間校準，在后期數據處理中，尤其是過了很長時間或者沒有參加海上實驗的人員進行數據分析時，將難以利用某些特殊的實驗現象與其他數據進行同步比對、分析或佐證。

2.3 海試經驗

近5年來，海洋聲學信息感知重點實驗室開展了10余次海上實驗，每次海上實驗都會面臨不同的考驗，如惡劣海況、高溫炙烤、外部干擾等。通過已經開展的多次海上實驗，需要注意“三個安全”，即人員安全、設備安全和數據安全。

（1）人員安全。保障人員安全是海上實驗的首要任務。安全培訓包括航前教育、海上逃生演練、設備操作培訓以及定期的安全會議等。此外，除了保障實驗人員的生命安全外，還需要關注每位實驗人員的飲食習慣、睡眠質量和心理情緒，并定期組織活動，活躍氣氛、增強凝聚力。

（2）設備安全。實驗儀器設備的安全是順利完成海上實驗的基本保障。區別于陸上實驗，在海上實驗過程中設備故障將帶來致命性的打擊，很可能導致某些實驗內容甚至全部實驗計劃的終止。保障儀器設備安全的關鍵在于規范操作和精心保養，如儀器設備出水后一般需要淡水沖刷，擦拭干凈后按使用說明保管等。

（3）數據安全。真實的海上實驗數據分析處理在一定程度上能驅動科技創新。實驗數據的獲取和分析是海上實驗的重要環節，數據的安全性至關重要。在海上實驗中，一般需要做好實驗數據的分類、說明、備份。實驗結束后，數據由專人保管、傳送和再分配。

3 人才培養

3.1 實踐教學

由于西安地處內陸，在水聲工程學科學生培養過程中，通常以計算機仿真、水池實驗或湖上實驗數據分析處理為主，難以取得高水平基礎研究成果。《綱要》指出，牢固確立人才培養在高校工作中的中心地位，著力培養本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才，支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節。因此，近5年來，海洋聲學信息感知重點實驗室以海洋聲學調查航次為契機，著力培養學生的科研創新能力。海上實驗始終貫穿科研思政育人的理念，引導學生明確人生目標，提高自身修養，構筑新時代海洋強國夢。同時，結合海上實驗，通過親身實踐向學生宣講和強調團結協作、大膽創新的重要性。這些寶貴的海上實驗經歷，將是學生畢業時最為重要的收獲之一。

3.2 科研育人

近5年來，結合海上實驗數據，海洋聲學信息感知重點實驗室發表了一批這一領域的論文。2019年，實驗室新增SCI論文60余篇，在全校評選出的10篇高水平論文中，有4篇論文直接得益于海上實驗數據的獲取與分析處理。特別是針對深海可靠聲路徑、聲傳播規律和目標定位方法研究，實驗室近幾年已發表了多篇高水平論文[14]，研究成果得到國內外同行的認可。

直接參與科研項目是人才培養的重要實踐環節。近5年來，實驗室結合所承擔的多項重大科研項目，通過海上實驗實踐教學，培養了一大批海試能力強、經驗豐富的碩博研究生，為百余人次研究生綜合能力的提高創造了海上實驗條件。自2016年來，已有10余位博士畢業生的論文課題與深遠海聲學研究有關。

4 結語

科技進步和人才培養均離不開高水平實驗室。海洋聲學信息感知重點實驗室自建設以來，緊緊圍繞國家在開拓深遠海方面的戰略需求，研制出系列化深海環境調查裝備和探測系統，取得了階段性進展。今后，實驗室將繼續以國家重大海洋戰略和海洋工程建設需求為牽引，組建研究隊伍，融合各相關學科的優勢，培養一批優秀人才，為提升我國海洋工程、海洋開發、海洋保護等領域的工業化和信息化水平，提供有力支撐。