海平面下的“千里眼”
——記浙江大學海洋學院研究員王德麟

武光磊

深海是地球表面最后一塊人類遠未涉足的區域，蘊藏著豐富的資源，是人類社會謀求未來生存與發展的戰略新疆域，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境實現如海面一般精確、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，在強手環伺、競爭激烈的大環境下，只有依靠革命性的海洋新技術，方有可能真正實現海洋強國。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，也養成了以物理的視角去理解客觀世界，以數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。碩士畢業后，為了繼續深造，王德麟赴美國東北大學隨P u r n i m a 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展超過了1個多世紀，在現有基礎上發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，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表，建議他重新考慮課題甚至博士規劃。

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現物理與工程的融合，相信物理的思想是幫助我找到水聲技術突破的關鍵。”他開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，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目標與接收陣相對距離及角度制圖反演形成海洋環境遙像，首次在大陸架尺度實現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表給王德麟帶來了信心與動力，卻沒有影響他繼續探索的熱情。讀博士期間，他持續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。

“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。”談到自己博士最后一段時間的工作，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克服了電路設計、流噪聲優化、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測系統研發項目，用以資助新型拖曳陣硬件與成像軟件開發。

Purnima R. Makris教授對王德麟博士期間的工作給予了高度肯定。“他的博士工作十分豐富，從物理模型到算法設計，從程序開發到硬件研制，為海洋聲學遙測系統發展提供了系統的貢獻。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。”

結束博士學業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”戰略建設中。國家海洋事業的發展正值實力和速度的快速上升期，急需專業領域的相關人才。而對于準備一展抱負的王德麟來說，國家的發展戰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地政府的大力支持，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，開始結合數據挖掘與人工智能技術，開展聲光電磁聯合的水下立體遙測體系理論與技術研發，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猶如陸地或海面上衛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星遙感對海洋表面環境監測的成熟性，目前遠未形成水上水下立體環境的大范圍遙測體系能力。”基于大孔徑水聽器拖曳陣設備的海洋波導聲學遙測成像技術能提供一種水下環境信息監測的新方法，雖然在實時觀測范圍與成像精度方面優于傳統觀測方式，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，研究針對特定區域海洋混響噪聲抑制的最優化排布方法，最后基于觀測成像數據，研發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猶如陸地衛星般的觀測能力，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，提高海洋環境遙測能力，為海洋環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。

和同事在回收聲學成像水聽器陣

規劃心中海洋觀測藍圖

如今，圍繞心中規劃的海洋觀測藍圖，王德麟還在思考如何解決海洋信息觀測過程中的數據傳輸瓶頸。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定是一直以來限制海洋信息觀測的重大瓶頸。“就好像夢回到了從前撥號上網的時期。”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，極大地限制了互聯網+漁業的發展。王德麟回國后，和海洋電子所的同事們開展了“面向低軌衛星通信的船載寬帶相控陣系統及其在星-海協同感知中的示范應用”項目，在開發基于自主芯片的低軌衛星通信的基礎上，構建船載相控陣系統及星海協同精細遙感系統，并在灣區開展示范應用。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、更豐富觀測數據的需求。

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環境與生物資源監測中，解決牧場監測自動化程度低、生態災害預警能力薄弱等問題。王德麟在參與的國家重點研發計劃“現代化海洋牧場高質量發展與生態安全保障技術”中，將海洋聲學遙測技術與新型物聯網技術結合，研發了面向牧場環境的漁業資源大范圍聲學遙測成像技術，實現了對淺海環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展路線有了清晰的輪廓。“我們未來肯定會繼續從事分布式成像的研究，我們研發出的陣列協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，我希望它能夠成為被大家廣泛認同的研究方法之一。”當然，他的發展藍圖還不止這些。“我們還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，實現海洋牧場在宏觀尺度上的魚群儲量監測。”在王德麟看來，這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境遙測。“越深入地和海洋打交道，越發能理解它的浩瀚。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，陪伴祖國海洋發展，見證愿景的實現！”