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倾听大海的声音
——杨士莪院士传记
作者:唐晓伟          文章来源:工学周报     点击数:     更新时间:2019/12/13 9:01:38

矢量传感技术的自主创新

  

在声场测量中,传统的水听器受技术限制,只能测量声场中声压的大小。而能同时给出声场中某点处声压和质点振速的矢量传感器的优势凸显,它的应用有助于获得声场的矢量信息,对声呐设备的功能扩展具有极为关键的意义。但其中国化道路却异常坎坷曲折。从20世纪末到21世纪初,中国水声界对杨士莪及其科研团队在国内开辟的这个水声科研新领域的质疑声音,一直不绝于耳。有人甚至列出了矢量传感器存在的百余个问题,历数其种种劣势,以示其不堪大用。一时间,对于矢量传感器及其应用前景的怀疑态度在国内掀起了阵阵争论的波澜。

20世纪末的一天,杨士莪应邀到中国科学院声学所进行一场专门针对矢量传感器的报告,以回应国内水声界的质疑声。该所的研究人员齐聚声学所报告厅内。只听杨士莪说道:

众所周知,矢量传感器并不是多么玄妙的新事物,它早在20世纪40年代就已在空气声学中使用,但因为设计工艺、材料等方面的原因,国际上直到20世纪70年代才应用于水声领域。这种新型的水下声传感器,可以同步共点地获得声场的标量和矢量信息,增加信息种类和数量,也可以拓展后期信号处理空间,改善水声系统的性能,同时又具有良好的低频指向性、抑制各向同性噪声等诸多优点,为解决水声工程中的诸多问题提供了新的思路和方法。

当然,它在水声领域的应用,也还有一些特殊和困难之处。但在使用过程中出现的种种问题,并不是因为其本身不好,而是因为我们对其还不够了解,还没有完全摸透它的脾气、掌握其优越性能,为我所用。这也许是21世纪水声技术领域最具有发展前景的方向之一,各位同行如果能投身于此,相信可以在未来的水声研究领域大展拳脚……杨士莪的报告吸引了中国现代声学开创者和奠基人之一的马大猷亲临现场。原来,已是耄耋之年的马大猷也密切关注着矢量传感器的研究,得知杨士莪此行前来对其作以专门介绍,非常感兴趣。听罢报告,马大猷赞赏地对杨士莪说:你们学校的这个研究好,非常有前景!”声学前辈的肯定对杨士莪是莫大的鼓励,也更加坚定了他的科研信心。

这次报告减少了人们的一些疑虑,一些单位开始对这个新事物进行研究,矢量传感器逐渐得到了一些应用。但这终究是个完全崭新的事物,本身正处于发展阶段,很多相关研究有待完善。

在对矢量传感器的研究被质疑和非议时,杨士莪及其团队一直不为所动,坚定地加紧研究步伐。这是基于他们对科学规律认识的信心。放眼未来,水声技术的发展及隐身技术的应用使目标信号不断减弱,声呐的低频工作性能日益显得重要,矢量传感器的应用,符合水声技术发展的历史要求。杨士莪认为:“要想充分利用矢量传感器的优势,不能简单的照搬照抄原水听器的信号处理方法,而要摆脱原有经验的束缚,按照物理规律,结合声场的矢量特性,去构建新的处理模型。”

不迷信、不盲从、解放思想、实事求是,是杨士莪最有效的科研法宝之一。这些法宝早在20世纪60年代,就让杨士莪等经历了中国水声行业的第一次突破”——不能照搬雷达的作法,而必须考虑到水声自身的特点进行研究。水声科学有自身的特点和规律,要结合学科特点摸索其自身的科学规律,走自主创新的道路。四十余年中,这些法宝在杨士莪的科研生命中一次次发挥重要作用。到了20世纪末,又是这些法宝揭开了矢量传感器及其应用技术在中国的研究序幕。

与杨士莪一样对矢量传感器技术的应用前景信心满怀的,还有他的学生杨德森。作为杨士莪最得力的助手之一,杨德森也是矢量传感器技术最积极的研究者和最执着的推进者之一。在这块新开辟的水声技术领域里,他们一扎根就是近二十年。杨德森等哈尔滨工程大学的科研人员通过与俄罗斯专家合作,采取引进技术和自主创新相结合的方式开展了矢量传感器及其应用技术的研究。他们按照先仿制,后改进,再自行设计、自主创新的“三步走”方针,自1998年成功仿制出第一代样机后,相继研制出第二代改进版,以及此后若干代具有自主知识产权的升级版,几代设备之间,从灵敏度、自噪声、尺寸、悬挂方式等方面,都有了巨大进化。先后获得四项国家专利,并成功应用于多种水声监测系统,建立起相应的信号处理模型和方法,开展了一系列工程应用研究,包括各种水下兵器的自导和引信,各种特殊用途声呐、安静型目标噪声测量等方面,使中国成为掌握这项技术的少数几个国家之一。国外文献公开报道称:中国是继俄、美之后,世界上第三个拥有矢量传感器技术的国家。在将矢量传感器技术引进中国并研制出第一代样机后,哈工程涉足这一项目的科研人员“兵分两路”,一路由杨德森率领,继续立足矢量传感器及其应用技术进行“降噪”研究;另一路则在杨士莪指导下,由陈洪娟教授率领,基于矢量传感器技术,进行平面基阵小型化的定向与目标探测与识别研究。经过自主创新后研制的矢量传感器设备集体积小、精度高、重量轻、耗电少的众多优点于一身,使声呐的探测水平得到跨越式提高。负责水声技术的原国防科工委某司长兴奋地说:“矢量传感器是水声技术最重要的创新之一,使用前景广阔!”

2004年,为了解决低噪声目标辐射噪声测量的难题,在杨士莪的支持与指导下,杨德森等科研人员经过两年多研究,研制成功了以矢量传感器技术为基础的机动式低噪声目标辐射声测量系统。该系统功耗小、设备简单、使用方便,取得了多项自主知识产权,获得国家科技进步二等奖。2009年,杨德森、洪连进出版《矢量水听器原理及应用引论》一书,这是中国第一部关于矢量水听器技术及工程应用方面的书籍。

后来,俄罗斯矢量传感器研究的发源地——莫斯科大学水声研究领域的教授专程来到哈尔滨工程大学,就矢量传感器等课题作以交流。俄罗斯教授看过中国相关研究后,赞赏地说:“你们目前对矢量传感器的研究工作,已经超过了我们的水平,我们为中国同行们在这一领域取得的快速进展和重大突破感到高兴,这些成果也很令我们佩服。”

2013328日,《科技日报》头版的最新发现与创新栏目报道了《哈工程声呐新技术为水下航行器装上眼睛》,报道中称:

哈尔滨工程大学“水下结构振动噪声测试与声源识别创新团队”研发的“矢量水听器技术及其应用”项目,实现了声呐技术新突破,增加了水下目标探测的信息和种类,提高了水下目标的探测距离,为我国舰船和水下航行器安装上了一双“锐眼”。

该项目突破了矢量传感器设计、制作、性能校准及相关的数学物理模型和信号处理方法等一系列关键技术,建立了涵盖矢量传感器基本理论、设计制作、测试校准、矢量信号处理以及基于矢量传感器的水下探测系统集成与应用体系。

多年来,哈工程“水下结构振动噪声测试与声源识别”创新团队,围绕船舶声频特征测试、控制与探测研究,依托水声技术国家级重点实验室,以船舶声频特征测试与控制为研究目标,开展了大量研究,在船舶振动噪声测试与分析、船舶噪声源测试与识别、水声环境信息获取、矢量传感器技术及其应用等方面取得了一系列原创性的标志性成果,多项研究成果达到国内领先、国际先进的水平。

文章录入:赵琳琳    责任编辑:赵琳琳 
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