作者:温才妃,霍萍 来源:中国科学报 发布时间:2024/5/8 13:14:57
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“大海捞针”、深海“对话”,他们做到了

 

地球上存在数千年的幽蓝色纯净的北极冰川之下有哪些奥秘?全球温室效应之下对冰川的消融有哪些影响?

带着这些长期困扰全球科学家的疑问,2023年,搭载哈工程科研团队自主研发的多波束冰形探测声纳,哈尔滨工程大学“星海1000”极地探测无人潜器深潜于北极冰盖之下,我国科研人员首次清晰地观测北极海冰冰底形态,获取了大量关键海洋参数信息,丰富了北极海洋信息数据库,为有效应对全球气候变化对我国的影响提供数据支撑。

研发这一探极“利器”的团队就是获得2024年全国青年五四奖章的哈尔滨工程大学水声通信与定位技术创新团队。

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哈尔滨工程大学水声通信与定位技术创新团队。受访者供图

让水声通信从“对讲机”时代走到“电话机”时代

20多年前,中国的水下装备安装的水声定位系统基本依赖进口,中国的深海水下定位技术基本处于空白。为了改变这种受制于人的局面,哈尔滨工程大学教授孙大军带领青年教师们从基础理论研究做起,一步步稳扎稳打,实现了从原始理论到技术研发再到实际应用的全链条科技创新。

“起初,国外同行得知我们的技术目标是相当于‘大海捞针’的亚米级目标定位,都觉得不可思议,认为这是不可能做到的,但我们认为中国青年只要努力没有什么是做不到的。”哈尔滨工程大学教授郑翠娥从2004年师从孙大军读研起就参与了深海水声定位系统的研究。

团队从零开始奋起直追,多次与外国设备同船竞技。如今,团队研发的多型深海高精度水声定位系统已经装配于多数中国科考船上,为深潜探渊数千米的“蛟龙号”“深海勇士号”和坐底万米的“奋斗者号”“悟空号”装上目光如炬的“眼睛”,为众多国之重器研发的水声定位系统可以精准定位范围在1米以内的目标,助力中国人自立自强实现“五洋捉鳖”的梦想。

要让国之重器在深海之下不但“看”得准还要“听”得清。哈尔滨工程大学教授乔钢带领青年骨干针对水下复杂环境对声信号传播的严重影响,水声通信在质量、效率和组网能力等方面难以满足探索海洋需求的难题,发明了水下多用户、全双工的水声通信方法,并研制了国际上首创的具有全双工通信能力和组网能力的水声通信机,解决了过去水下声通信中收发不能同时进行的问题,让水声通信从“对讲机”时代走到“电话机”时代。

团队致力于“透明海洋”建设,提出多项原始创新性技术,取得了国际领先水平的研究成果,使水声通信网络与固定海底通信网络相互补充,开展区域内观测设备的联合作业,构建水下“WIFI网络”系统,实现多参数、多站位同步联合观测,大幅提升“海洋感知网”的观测能力。

成为探索北极冰川的开路先锋

“每完成水声领域一项技术突破,就可以推进海洋强国建设与海洋命运共同体建设前进一大步。”团队在哈尔滨工程大学教授殷敬伟带领下,不断开拓创新,将探索的目光瞄准极地,自2014年起,在国内率先开展冰下声场特性及冰下探测与通信技术研究,尤其是跨冰层介质的冰下通信、探测与定位一体化技术。

由于北极海域覆盖着厚厚的冰盖,开展冰下水声科研难度极大,且我国极地声学领域研究近乎于空白,团队面对未知的科研领域不但没有退缩,反而斗志昂扬,殷敬伟带领团队冬天冒着低温严寒破冰做测试,开展极地特殊环境中水声技术的基础理论、关键技术和设备研制方向的开拓,牵头启动了相关重大专项论证,多次组织实施冰下声学试验,验证相关理论模型和关键技术,有力推动了我国极地声学领域的技术发展。

“极地声学试验到底应该怎么做?怎么获取更有价值的试验数据?”为了获取极地水声第一手的研究数据,2018年,团队选派哈尔滨工程大学教授韩笑跟随“雪龙”号进行科学考察,采用团队自主研发的实验仪器设备,开展极地冰下噪声场、声传播特性、冰下水声通信等方面的研究,圆满完成极地冰下声学试验,揭开北极声学的神秘面纱。

极区海水不同深度的温度、盐度、叶绿素等海洋参数信息是研究北极海洋物理、化学及生物演化过程的关键,获取北极海冰的形貌特征,尤其是冰盖下方的冰形冰貌,对研究北极海冰融化机理有重要的意义。

然而,当前对北极海冰冰貌探测多基于卫星等表面观测手段,对冰盖下方的冰形冰貌探测一直缺少有效手段。团队马不停蹄地投入到对北极海冰的研究探索之中,不断取得新的突破,自主研发的多波束冰形探测声纳开展冰下冰形冰貌探测,为人类探索极地未知领域提供了有力的技术支撑。

练就为国“听声”的定力

由于团队开展的科研,几乎都是中国乃至世界水声领域的无人区,需要从零开始啃下硬骨头,这也往往练就了团队一副“好牙口”;并且团队承担的往往是涉及国之重器实际应用的“硬核”技术项目,这就使团队练就了一身“硬功夫”。

面对重压,哈尔滨工程大学教授孙大军常说:“从技术到应用有一段漫长的路要走,就像西天取经,你已经身怀绝技,但还要经历九九八十一难,才能在过关斩将中逐渐完善。”

这些话让哈尔滨工程大学教授郑翠娥深有感触。10余年前团队承担了一项国家“863”项目,为科考船研发超短基线定位系统。系统明明在实验室里已经经过了无数次的原理计算、水池实验,都没有问题,可是到了复杂多变的深海环境,放下水后就是抓不到信号,无法稳定跟踪。

大家连续调整了几天的参数,依然拿不到信号,在团队成员精神上都快支撑不住时,孙大军却坚定信念,始终不放弃努力,废寝忘食地一遍遍反复排查问题、调整参数,终于解决了问题。

深入远洋深海、海岛边陲,年均试验时间超200天,寒来暑往,每逢年关佳节只能在海上湖上船上遥寄对家人的思念。“奋斗者”号在2020年成功坐底万米之下的马里亚纳海沟时,团队成员承受着恶劣海况晕船带来的身体不适,一边呕吐一边为潜器深海定位做保障,近30天的科考结束时,平均每人瘦了十余斤。

深海试验的周期都很长,常常要在海上一漂就是一两个月,“这对我们的心理和生理都是一个挑战”,前不久刚参加完海试的哈尔滨工程大学博士生王蕴聪表示。深海中往往会遇到风高浪急的恶劣海况,有时候大家晕船晕得站都站不起来,常常是旁边放一个桶,“吐一口,记录一笔数据”,由于注意力高度集中于观测试验进展,有时也会忘记了晕船这回事。

殷敬伟常常对团队的学生们说:“学了水声就要干水声,要有为国倾听大海之声的定力。”这对哈尔滨工程大学博士生贾亦真影响很深,“站在巨人肩膀上的我们要接过前辈们的接力棒,只要是国家需要的,就是我们水声学子应该干的!”

 
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