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科技日报:蛟龙入海通天地 听涛观洋竞风流
——“蛟龙”号声学团队研制试验高速数字水声通信系统纪实
2013/01/21 | 编辑:科技日报 王飞 | 【 【打印】【关闭】
“蛟龙”号声学团队合影
“蛟龙”号专项总体组成员、中科院声学所研究员朱维庆在试验现场
“蛟龙”号声学团队负责人、中科院声学所朱敏研究员在7000米海试现场工作
“蛟龙”号试航员、中科院声学所副研究员杨波(左一)与试航员叶聪、崔维成在载人舱内合影
负责水声通信的中科院声学所海试队员在“蛟龙”号下潜前布放声学吊阵
“蛟龙”号声学团队在7000米海试现场修复电缆
 
2012年6月24日,一个注定将写入中国载人深潜历史的时刻。
 
这天清晨,北纬10度59分,东经141度59分的太平洋海面上波涛翻滚。此时,中国首台载人深潜器“蛟龙”号正在母船“向阳红09”上进行着各项“热身”活动,准备实行我国载人深潜7000米海试第4次下潜任务。
于此同时,在一万公里以外的北京,一位75岁的老人一大早就匆匆地从家里赶到中科院声学所实验室,目不转睛地盯着中央电视台现场直播镜头。

北京时间5时29分,“蛟龙”号入水,开始下潜。通过水声通信机,“蛟龙”号和母船建立了稳定的通信联系,其各种数据持续传输到母船的指挥室,指挥部成员们密切关注着下潜过程。

9时07分,“蛟龙”号潜至7020米,当试航员用通信机的水声电话功能向指挥部报告深潜突破7000米时,整个“向阳红09”沸腾了,海试队员们互相拥抱握手,庆祝“蛟龙”号创造了我国载人深潜的新纪录。随后,“蛟龙”号在作业过程中经水声通信机多次传回图像数据。15时57分,“蛟龙”号浮出海面返回母船,此次海试取得圆满成功。

看到潜水器将语音、指令、文字、图像都顺利传回了母船,甲板上的“蛟龙”号副总设计师、声学团队负责人——中科院声学所研究员朱敏感觉“心里的一块石头终于落地了”。

而此刻,在北京观看电视直播的花甲老人终于露出了轻松的笑容,他就是“蛟龙”号专项总体组成员、中科院声学所研究员朱维庆。尽管由于年龄原因,朱维庆没能去海试现场,但他对自己的弟子充满了信心。事实上,他的学生最终没让他失望。

令朱维庆倍感欣慰地是,“蛟龙”号随后又进行了两次下潜试验,最大深度达到7062米,创造了国际同类作业型载人深潜器的新纪录。在这期间,水声通信系统工作稳定,数据、文字、图像、语音的传输效果良好,期间现场电视记者和文字记者还分别多次通过水声通信系统对试航员进行了语音采访和文字聊天。

至此,由中科院声学所研制的这套高速数字水声通信系统,经过深海大风大浪的洗礼,成为了“蛟龙”号深海载人潜水器上的通信利器。与国外的载人潜水器声学通信系统相比,其功能和性能都首屈一指。在科技部有关“蛟龙”号载人潜水器海试工作总结报告中,这套具有完全自主常识产权的水声通信系统得到了科技部部长万钢的亲自批示和好评。

水声通信让深海“更透明”

神秘浩瀚的海洋一直是人类探索自然奥妙的前沿领域,蔚蓝的大海不断激发着人们的好奇心。随着人类开发和利用海洋步伐的加快,利用海洋信道进行信息传输的需求大大增加。

陆地通信主要靠电磁波,但由于海水是电的导体,电磁波在海水中衰减得很快,这一利器到了水中特别是深海中却没了用武之地。而声波在海水中可以传播很远,因此水声通信技术应运而生。

水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后,由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质,将信息传递到远方的接收换能器,这时声信号又转换为电信号,经过放大、滤波和数字化后,数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理,还原成声音、文字及图片。

迄今为止,水声通信是唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,其自身的技术特点和独特优势,使它已经成为海洋资源开发和海洋环境立体监测系统中的重要技术之一,在海洋技术与海洋工程、灾害预防和环境保护、航海等领域具有重要的应用价值。

朱维庆先容说,依靠水声通信技术,可以实现对水下机器人的远程控制,还可在载人潜水器和母船之间实现无缆语音通话和数据传输。除此之外,在海洋环境监测和资源开发方面,水声通信技术发挥着不可替代的作用。

“它可以及时快速地将海洋观测和监测数据传输到水面,进而提供给科学家进行研究分析,这对于海洋相关科学研究以及海洋污染数据监测意义重大。”朱维庆表示,水声通信技术为深海观测和研究提供了新的技术手段。“打个形象的比喻,有了水声通信技术,浩瀚无垠深不可测的海洋马上就变得‘透明’起来,大洋的各种观测数据可以实时地呈现在你的面前,这是人类认识深海、研究海洋技术手段的一次重大突破。”

正因如此,水声通信技术是当今海洋高技术领域最前沿的技术之一,但由于水声通信技术的敏感性以及巨大应用价值,国外长期将之列为禁止出口中国的高技术产品,目前仍严格控制。

忆及这点,今年已75岁高龄的朱维庆有着深刻的体会:上世纪90年代初,我国863计划访问团在法国考察,有一次当中国专家谈起水声通信技术时,法国人却声称“什么都能谈,就是水声通信不能谈!”

20年过去了,这句话至今让朱维庆难以忘怀。从那时起,把中国的水声通信技术搞上去便成了朱维庆等水声研究人员的一大心愿。尽管我国的水声通信研究起步较晚,但朱维庆和同事自上世纪80年代起开始关注和跟踪这项海洋前沿技术,并为此一直积蓄着力量。

科研创新需要“智勇双全”

机会总是会垂青有准备的人。中科院声学所和朱维庆终于等到了机会。随着我国海洋研究技术的进步和海洋资源开发事业的发展,2002年6月,“蛟龙”号载人潜水器正式成为863计划“十五”期间重大专项。

搞了大半辈子水声技术的朱维庆意识到了深海载人潜水器对于水声通信技术的迫切需求。经过层层申请和筛选,朱维庆和他的弟子朱敏带领团队承担了“蛟龙”号水声通信系统的研制重任。中科院声学所作为“蛟龙”号副总师单位,负责声学系统的研制。朱维庆担任专项总体组成员,朱敏则是“蛟龙”号副总设计师、声学系统负责人。

“蛟龙”号水声通信系统该采用什么样的技术路线?朱维庆第一时间就想到了“高速数字水声通信技术”。这项技术在语音通信的基础上,还可以在大洋深处实现对数据、文字、图像的高速即时传输。这是当今一项代表大深度水声通信的前沿技术,目前世界上只有美国、日本等国开始这方面的研究。

从事多年水声通信技术研究的朱维庆深知,“蛟龙”号作为我国第一台大深度载人潜水器,其技术和应用需求对于发展我国高速数字水声通信系统是一个千载难逢的机会。“如果错过了这个机会,再想发展这方面的技术就难了。”

更为重要地是,在朱维庆看来,一个立志要做出点成绩出来的科研工编辑和团队,一定要“智勇双全”,首先就是要有勇气,“敢干,敢自己干。”他认为,搞科研必须不断走在最前沿。“高速数字水声通信是代表大深度水声通信的先进技术,大家就得有胆量来冲一冲这个技术。”

敢于尝试和挑战,也就意味着要承担责任和风险。对此,朱维庆有着自己清醒的认识。“如果不敢承担风险,而只是一味地模仿和跟踪国外的技术,在前沿技术研发方面就只能被别人牵着鼻子走,永远做不出具有突破性意义的成果。”

科学研究有其自身的规律,而前沿技术研究是一项需要智慧的事业,光有勇气是远远不够的。这是朱维庆一直秉持的科研理念。在他眼中,科研创新从来就不是一蹴而就的,必须有足够的积累和积淀作为基础。要挑战高速数字水声通信系统这个难题,此前十几年的相关技术跟踪和积累给予了他相当的信心。

自上世纪80年代起来,中科院声学所在水声通信研究领域进行了扎实的研究和跟踪,进行了相当的技术积淀。从“七五”时期开始,在国家863计划的支撑下,声学所一直持续不断地进行着水声通信核心技术的研发,并取得了一系列进展:在“七五”期间研制了基于多频移键控技术的非相干水声通信机样机,在“八五”和“九五”期间开展了基于多相移键控技术的相干水声通信机关键技术研究,并研制了通信机样机。而在“十五”期间,声学所研制了中程高速水声通信机工程样机。

在对比国外相关技术和立足“蛟龙”号实际需求的基础上,声学所团队决定自主研发水声通信系统的核心设备——水声通信机,并制定了通信机的具体技术方案,即采用了相干水声通信、非相干水声通信、扩频水声通信、水声电话四种通信技术手段,使之能够在不同的水声环境下实现图像、文字、指令等数据的即时传输,从而使水下通信功能由“电话”升级为“QQ”。

在后来一系列海试中,“蛟龙”号通信机展示了很强的抗噪声能力,作用距离几乎覆盖了所有海洋深度,水声相干和非相干通信可以在正负50度宽广的范围内工作,而扩频和语音通信的工作范围更广。载人潜水器母船可以准实时的观测到潜水器的工作状态,7秒或者14秒传输一幅光图或声图。

朱维庆自豪地表示,“蛟龙”号上装载的高速水声通信技术能够实时传输语音、文字和图片,这是国外绝大多数载人深潜器所没有的,其综合性能和功能已经达到世界先进水平。而朱敏透露,在2012年5月于香港召开的国际声学会议上,他们受邀在大会作了有关“蛟龙”号高速水声通信系统的专题报告,获得了国际同行的极大关注。

历经风浪洗礼的“化蛹彩蝶”

“蛟龙”号声学系统的研制和实验面临着时间紧任务重的双重压力,尤其是在被称为载人深潜成败“试金石”的关键环节——海上试验阶段,复杂变多的海况使得声学团队的任何最新技术尝试都将面临着极大风险。

万事开头难。在“蛟龙”号首次进行的50米海试中,水声通信团队就遭遇到了麻烦:由于母船噪音非常大,同时海区水深太浅,一些设计缺陷也集中暴露出来,导致水声通信一直不能建立。

开弓没有回头箭,海试必须继续进行,海试领导小组要求声学所在短期内必须拿出声学通信的解决方案,保证1000米海试能够顺利进行。

面对压力,声学团队并没有选择回避,而是迎难而上。朱敏带领团队对出现的问题进行了详细的分析,并在863计划海洋技术领域办公室成立的技术咨询专家组的建议下,很快就确立了新方案,即用模拟制式的水声电话方案暂时代替数字通信,解决浅海试验的通信问题。

水声电话技术是一种较为成熟的水下通信技术,且有实际的应用案例,如美国著名的“艾尔文”号载人潜水器采用的就是这种技术。

为保万全,在技术咨询专家组的联络帮助下,由北京长城电子装备有限责任企业负责提供一台水声电话作为备用的应急通信系统。该企业是一家在水声通信领域拥有丰富经验和过硬技术的军工企业。在接到紧急任务后,企业专门成立了项目保障组和科研组,由总经理牵头,带领技术骨干凭借着忘我的工作精神和扎实的技术功底,硬是在短短的21天内,就完成了针对“蛟龙”号应用的改装工作。

同时中科院声学所科研人员发扬能打硬仗的精神,仅用3天时间将水声电话方案在现有数字通信平台上实现。2009年10月3日,在水声通信系统的支撑下,“蛟龙”号载人潜水器成功下潜到1109米深度,1000米海试取得圆满成功。

由于在1000米海试阶段暴露了很多问题,声学团队在海试结束后认真总结了经验教训,最终选择了以中科院声学所的水声通信机为主要通信设备,以北京长城电子装备有限责任企业的水声电话作为应急通信设备的双系统方案,在正常情况下由前者完成数据、通信、语音、文字和指令等通信,在前者不能或不便工作时由后者提供语音通信支撑,实现对“蛟龙”号更完备的保障。

事实上,这样的海试方案既满足了“蛟龙”号这样的国家重大科研项目的技术创新需求,也充分考虑到了在时间紧任务重的双重压力下,“蛟龙”号深潜试验任务顺利推进的实际需要。“蛟龙”号随后一系列海试的顺利进行证明了这一选择的正确性。

2010年6月1日和2011年7月1日,“蛟龙”号分别远赴南海和太平洋,进行3000米级和5000米级海试。在此期间,由于之前的方案论证充分,设备软硬件又经过了大量试验验证,水声通信机在海试全过程中性能优异,它给海试人员提供了全新的“水下QQ”体验,稳定的语音、图像、数据通信效果使得在母船上就可以全面掌握潜水器的舱内状态和主要设备工作情况。声学团队优异的表现得到参试单位一致认可,也受到了现场指挥部和临时党委的表扬。

2012年6月3日,搭载着“蛟龙号”的“向阳红09”船从江阴苏南国际码头起航,奔赴马里亚纳海沟区域,实行7000米级海试任务。

6月15日是“蛟龙”号声学系统负责人朱敏的生日。但在生日当天,他却收到了一份意外的“礼物”:在潜水器下潜到6200米左右时,水面母船“向阳红09”上的数字水声通信意外中断。在这种情况下,声学团队紧急启用了用于备份的水声模拟通信系统,通过语音传输,实现了母船与潜水器的通讯正常。

在数字水声通信系统出现意外后,历经考验的朱敏和团队并没有乱了阵脚,马上对数字通信系统故障进行严格排查,发现是水下声学吊阵约2000米长的数字通信电缆出现了问题,“罪魁祸首”是电缆缆头处的一个不易被察觉的小孔。海水通过小孔渗进电缆,导致高压电源短路,造成数字系统中断。通过更换电缆,数字通信系统又恢复了正常工作。

此后,数字水声通信系统运行稳定。在总共进行的6次深潜试验中,潜航员清晰的语音、每分钟一次的潜水器数据、一幅幅海底生物的照片和潜航员的合影通过数字水声通信机传到指挥室。

在第四次深潜试验中,“蛟龙”号首次突破7000米大关,在到达最大深度时,通过水声通信系统,“向阳红09”母船指挥部清晰地收听收看到试航员叶聪的报告:“蛟龙”号于北京时间2012年6月24日9:07,成功下潜到马里亚纳海沟7020米深度。

随后更为激动人心的时刻来临了!位于大洋深处的试航员通过水声通信系统向此时正在天空遨游的神舟九号航天员发出了最诚挚的祝福:叶聪、杨波、刘开周三名潜航员祝福景海鹏、刘旺、刘洋三位航天员与天宫一号对接顺利!祝福我国载人航天、载人深潜事业取得辉煌成就!

当“蛟龙”号深潜突破7000米的喜讯通过清晰的语音和图像从大洋深处传来,当载人深潜试航员对载人飞船航天员的祝福传遍神舟大地,包括朱敏在内的声学团队成员终于长舒一口气:成功了!

在“蛟龙”号多次海试过程中,声学团队研制的水声通信系统如一只“化蛹彩蝶”,经历了从50米到7000米的多重洗礼,从一个问题多多的设备变成一台功能全面、工作稳定可靠、综合性能国际一流的水声设备。尤其可贵的是,高速数字水声通信系统是我国完全自主研制、具有App硬件完全自主常识产权的通信设备,相关技术获得了多项国家和美国发明专利。

“娃娃兵”也能打硬仗

在很多人眼中,中科院声学所的海试队是一支典型的“娃娃兵”队伍:团队平均年龄不到30岁,大部分都是刚从学校毕业就直接走上海试第一线的“80后”,“70后”的团队负责人朱敏都算是“老人”了。这也是一支青涩的队伍,除了朱敏外,其他队员没有多少海试经验,遑论大型海上联合试验了。面对“蛟龙”号首次海上试验这场大联合协同作业的“一场硬仗”,团队成员在感觉新奇之余,更多的则是惴惴不安。

由于水声通信的特殊性,很多在之前的湖试或水池中无法暴露的问题,却在首次海试中“一股脑儿”地出现。朱敏坦言,试验前的高希望值和首次试验后的结果形成了巨大的心理反差,这令声学团队倍感压力。作为声学团队负责人,朱敏深知,如果因为声学通信故障导致这次试验失败,无疑会拖整个海试团队的后腿,对于中科院声学所这支年轻的海试队伍来说,也无异是一次沉重打击。

在巨大的压力面前,中科院人不服输的劲头开始逐步显现。找问题,说意见,提方案,做改进,在朱敏的带领下,这帮“娃娃兵”团结协作、奋力拼搏,逐步解决了之前出现的各种问题,并最终圆满完成了声学系统的改进工作和海试中的维护工作,为“蛟龙”号海试的成功提供了有力保障。

然而在成绩取得的背后,声学团队成员则付出了艰辛努力和巨大牺牲。在3000米海试技术改进阶段,半年来所有工作人员牺牲了节假日和周末,每天都工作到深夜,很多队员回到家都已经凌晨一点。而海试队员家属都默默忍受了这样的告别,并承担了家庭的重担。

而这些付出和牺牲则让年轻人获得快速的锻炼和成长。团队成员杨波、张东升作为试航员多次下潜。其中“80后”杨波参加了3次创造我国载人深潜纪录的下潜试验,均顺利圆满完成了任务。在完成5000米海试任务后,杨波晋升为声学所副研究员。2012年9月,声学所杨波、张东升被党中央国务院授予“载人深潜英雄”称号。

这些让已年逾七旬的朱维庆看在眼里,喜在心里。因为如何选拔和培养青年科研人才和队伍,一直是他经常思考的问题。通过“蛟龙”号声学系统研制和海试任务的磨练,对于这个问题,朱维庆逐渐有了一些心得和经验。

在朱维庆总结看来,选拔年轻人才的首要秘籍是德才兼备、以德为先。“队员一出海就是两三个月,面临着海上环境恶劣以及沉重的心理压力这双重考验。”他认为,如果光有过硬的专业技术,但没有良好的事业心和强烈的责任感,是不可能在短时间内完成“蛟龙”号水声通信系统这样的重任。事实上,这样的选人用人标准也经受住了检验。

“蛟龙”号海试队用“7000米宝宝”来称呼那些在海试过程中诞生的孩子。在多次海试过程中,以年轻人居多的声学团队添了好几个“7000米宝宝”。在时间紧任务重的海试任务面前,这些年轻的爸爸们却来不及享受初为人父的喜悦和幸福,在孩子还未满月的时候就开始踏上了海试的征程,等海试归来孩子已经满三个月,有的都快认不出来自己的孩子了。

在2009年海试关键时期,声学团队负责人朱敏的孩子因妻子高妊症而早产,出生后孩子还需在保温箱中进行特护。由于海试时信号中断,导致他无法和家人取得联系,在孩子出生两天后,朱敏才得知消息。由于海试任务紧迫,他只匆忙回家探视了一天就返回海试队继续实行海试任务。

现在回想起来仍觉得“有些后怕”的朱敏觉得自己对不起老婆和孩子。“但没办法。在那样的情况之下,对于我来说坚守岗位是第一位的。”说起这些,他显得十分平静。

让朱维庆颇为骄傲的是,这些“娃娃兵”在事先并不被看好的情况下,最后硬是把“蛟龙”号海试任务圆满完成了。对此他笑言,“事实证明我挑人的眼光还是不错的。”

而在如何使用人才的问题上,朱维庆则坚持“用人不疑、疑人不用”的原则。在他看来,“对年轻人要管,也要放,但最重要的是对他们有信心,充分信任他们。”在声学团队遇到困难和挫折时,朱维庆在坐镇大后方提供技术支撑的同时,更多地是鼓励年轻人不怕犯错,要勇于尝试。

“要让年轻人知道,失败和挫折是科研的一笔宝贵财富,不能因此丧失信心,要学会平静地面对,并从中汲取经验教训。”在朱维庆看来,“这实际上提高了年轻人对科研规律的进一步认识,对今后他们可能遇到的科研困难情况有了更为充足的心理准备。”

朱敏对此深有体会:“通过‘蛟龙’号这几年海试,大家团队始终能够沉着地处理突发问题,抗压能力也得到提升,我对水声科研团队的能力越来越有信心了。”

永不停歇的科研脚步

再次见到朱维庆和朱敏时,是“蛟龙”号圆满完成7000米海试任务载誉而归之后。面对已经取得的成绩,面对鲜花和掌声,朱维庆和朱敏这对师生显得十分平静。

“大家不能沾沾自喜,要把目光瞄向未来。”朱敏表示,高速数字水声通信系统在“蛟龙”号上的技术应用范围还相对较窄,而面对我国深海研究和开发事业的蓬勃发展,在下一阶段,声学团队将会在高速数字水声通信技术研究的基础上,开展更为前沿的技术研发和海洋工程应用。

2010年我国已启动了4500米载人深潜器核心设备国产化研究项目,而作为水声通信系统核心设备的水声通信机,成为了声学团队的重点攻关对象。朱敏透露,声学团队正在863计划的支撑下,积极开展新一代水声通信机的研制工作。“大家将研制新一代水声通信机,其显著特点是低能耗、小体积、可靠性高。”

与此同时,在863计划海洋技术领域办公室的支撑下,声学团队参与了“水声通信网络节点及组网关键技术研究”重点项目相关课题研究。

记者了解到,该项目由中科院声学所牵头,联合中船重工集团第715研究所、哈尔滨工程大学和浙江大学共同承担,是目前为止我国在水声通信技术领域支撑力度最大的一个项目。项目的总体目标是研制水声通信网络节点工程样机,建成一套可运行的试验性水声通信网络,建立水声通信网技术研究发展平台,为我国水声通信组网技术的发展奠定基础。

朱敏先容说,通过水声通信网络节点和组网技术的研究,就可以把海底观测网络各节点的传感器采集的各项海洋数据实时地传输到陆地,这样科学家就可以坐在世界上任何一个地方的办公桌旁,监测海底风暴、地震、滑坡等各种突发事件,观察海底生物和地壳内流体等活动,分析仪器采集到的各种数据。“形象地说,在北京的科学家可以通过它随时了解太平洋海底的各种数据和动态。”他坦言,这样的技术蓝图将是他们的未来的科研目标。

朱敏和声学团队深知,对于一名科技工编辑和一个科研团队来说,科技创新的道路永远没有尽头,而他们亦不会歇自己的科研脚步。这个年轻的团队表示,将会一如既往地保持中科院科研人员谦虚谨慎不骄不躁的科研作风,扎实勤恳地工作,力争为我国未来的水声通信事业发展贡献绵薄之力。

(原载于《科技日报》 2013-01-19 14版)

 
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