海洋水声物理方向的国内学科建设情况调研
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作者:肖汶斌 蓝强 王得志 王勇献
[摘 要] 水声物理是研究海洋中声波与水体、界面相互作用规律及其频率与时空因素相关特性的重要学科方向，在未来的“海洋世纪”中将获得更为广阔的发展空间。在广泛调研基础上，选取国内重点高校和科研机构，围绕基础条件、师资队伍、主要研究方向开展了学科建设情况调研，为新时代气象海洋学科体系建设提供有益借鉴和参考。
[关键词] 海洋;水声物理;学科建设;哈尔滨工程大学
声波在海洋水体介质中良好的传播性使其成为进行海洋研究的主要信息载体[1]。水下声波实质上是流体质点压强的脉动，通过求解流体介质的波动方程可获得水下声场的细节信息，在一定的模型假设和数值处理下可得到不同的水声传播模型[2]。然而，作为水声信息传输通道的海水介质及其边界条件存在着多种非均匀性，例如声速剖面分布的变化、海底底质与海深的变化、海洋内波、湍流、黑潮，等等，这使得声波在海水介质中传播的规律性也复杂多变[3]。声波与水体、界面相互作用规律及其频率与时空因素相关特性，是海洋水声物理方向的主要研究课题。本文从条件建设、师资队伍建设、主要研究方向三个维度，重点调研了哈尔滨工程大学、西北工业大学、中国海洋大学、中国科学院声学研究所和海军潜艇学院，梳理海洋水声物理方向的国内学科建设情况。
一、哈尔滨工程大学
哈尔滨工程大学水声工程学院在国内率先开展水声物理的教学与科研工作，相关成果具有鲜明的海洋特色。
（一）条件建设
哈尔滨工程大学水声工程学院在海洋水声物理方向的教学与科研设施十分先进，承担了多个国家和军队科研项目，获得多项国家级和省部级科技奖励。作为国内水声技术基础与应用研究的创新源头，哈尔滨工程大学的水声技术国防科技重点实验室在水声信息处理、声纳环境建模、水声信道模拟、水洞实验等领域具有雄厚的科研实力，为水声技术自主创新和高层次人才培养奠定了坚实基础。
（二）师资队伍建设
哈尔滨工程大学水声工程学院拥有以杨士莪院士、杨德森院士领衔的结构完整、力量雄厚的师资队伍，目前一大批中青年优秀水声专家脱颖而出。杨士莪院士是我国著名的水声工程专家，中国水声科技的主要开拓人之一，全国第一批博士生导师，第一批国务院特殊津贴获得者。他创建了国内第一个理工结合、配套完整的水声工程专业，主张将水声物理方向与水声换能器、水声设备紧密结合;开创了国内水声定位系统研究工作的先河，实现了洲际弹道导弹海上落点的水声测量，解决了水面、水下和海底目标位置以及水下航行体轨迹定位问题，为我国水声导航定位技术的发展做出了突出贡献。杨德森院士是国内最先从事矢量水听器技术研究的专家之一，长期从事水下目标特性的分析与特征提取工作，在水中目标噪声特性测量分析、水下结构振动与噪声测试分析、水下结构物减振降噪等方面做了大量开拓性工作。
（三）主要研究方向
哈尔滨工程大学水声工程学院在水声物理方向的主要研究包括以下方面：从典型的海洋水声传播模型出发，数值模拟海洋信道冲激响应的特征规律[4];应用耦合简正波理论分析孤立子内波移动对水声传播带来的起伏规律，使用抛物型方程进行水声场的数值计算;基于水平指向性窄而垂直指向性宽的水下信号，建立测量海底三维声散射强度的实用方法;从声吸收基本原理、海水化学组成、声吸收测量方法出发，阐述海水水体中的体积反向散射强度与典型物理参数的相互关系;研究组成角反射体的水负载弹性板的弹性散射波、水下凹面目标散射声场计算方法、水下角反射体反向声散射特性，利用角反射体作为海底声学标记物时遇到的相继脉冲海底混响抑制方法开展算法探究;建立弹性海底的Pekeris波导模型，研究Scholte表面波及次表面波的质点运动轨迹和质点位移分布情况及其散射特性，分析海底压缩波和剪切波声速、海水深度、声源频率、海底声吸收系数及声速分布等参数对水中位移场分布的影响规律。
二、西北工业大学
西北工业大学的声学与信息工程系主要从事声纳技术、水声信号与信息处理、水下物理场、海洋信息传输与组网、声学与电子工程等应用基础和工程技术研究。该系具有信息对抗技术和水声工程两个本科专业。水声工程学科点于1981年和1990年分别获硕士和博士学位授予权。
（一）条件建设
水下信息与控制重点实验室由西北工业大学和中船重工集团第705研究所共同建设。实验室重点开展复杂海洋环境下水下航行器精确导航与控制、水下探测和信息处理、运动体仿真等研究。实验室自设立以来，承担了大量应用基础研究和关键技术攻关任务，先后获得多项国家科技进步奖和省部级科技进步奖。目前，该实验室队伍不断发展壮大，科研队伍素质高，取得了一批高水平的科研成果，為国民经济和军事领域培养了一大批高级人才，对水下信息与控制技术发展起到了显著的支撑和推动作用。
（二）师资队伍建设
西北工业大学航海学院的声学与信息工程系教学和科学研究力量雄厚，现有中国工程院院士2人，声纳技术被国防科工委评为“国防科技创新团队”，声学与信息对抗技术团队被评为“陕西省优秀教学团队”。
马远良院士是我国水声工程与信息处理技术专家，2003年当选为中国工程院院士。马远良院士长期从事水声工程和信息电子技术研究，主持航空声纳装备研制，是该领域的开拓者和学术带头人。他创立的任意结构形状传感器阵列优化设计的“凹槽噪声场法”，成功运用于研制水下正交体积阵及其信号处理系统;给出了拖曳线列阵端射方向接收噪声角度展宽的理论解释，提出匹配场噪声抑制与广义空域滤波的概念，推导出相应的理论解;拓展了传感器阵列波束优化设计理论，设计出宽带恒定束宽和高阶超指向性水听器阵列，创立了多个水下信号处理自适应算法。
（三）主要研究方向
西北工业大学在水声物理方向的主要研究内容包括以下方面：复杂环境下的水下声场建模、目标多基地散射建模、水声环境参数反演、水下发射基阵的辐射声场建模、跨越水空界面的物理场机理等;探究空中高速运动声源的声场建模方法，分析空中声场与水下声场的差异性[5];水声基阵波束优化与阵列信号处理、高分辨方位估计、干扰抑制与微弱信号检测、目标分类与识别、自适应信号处理与匹配场处理等;声纳系统设计与分析、声纳信号与信息处理、水声换能器及其基阵设计、新型航空声纳研制、新概念声纳和网络化综合探测体制研究等。 三、中国海洋大学
（一）条件建设
1.青岛海洋科学与技术国家实验室。青岛海洋科学与技术国家实验室主要由国内涉海五家单位联合共建，是在有效整合海洋科技资源，积极探索海洋科技创新体制机制的背景下产生的，直接服务于国家海洋战略开展相关的科研与教学工作。目前，该实验室聚焦海洋科技资源配置、海洋资源共建共享、海洋基础与应用技术研发等现实任务，汇聚了一大批海洋领域的优秀科学家和高层次人才队伍。
2.物理海洋教育部重点实验室。物理海洋教育部重点实验室拥有以物理海洋为特色，兼顾气象学、大气物理、大气环境、应用海洋学的学科体系，主要瞄准国家海洋战略需求开展物理海洋等方向的前瞻性科学研究工作。该实验室配置了大型风-浪-流水槽、旋转水槽、内波水槽、大型/超级计算机集群等先进设备，是国内海洋学国家理科人才培养的重要基地。
（二）师资队伍建设
文圣常院士长期从事海浪理论及其应用的研究，主要成果包括海浪计算与数值预报方法和海浪谱研究。冯士筰院士在浅海环流和长期物质输运方面的研究成果尤为突出。作为青岛海洋科学与技术国家实验室主任，吴立新院士长期从事海洋大洋环流与气候研究，提出了海洋环境领域的多个创新性研究成果。
（三）主要研究方向
中国海洋大学在水声物理方向的主要研究内容包括以下方面：在浅海环境中，内波作用下简正波声传播的时空变化规律，基于实验数据同时提取内波模态函数及其模态系数;在贝叶斯反演理论的基本框架下，提出基于高频混响信号传播时间的统计特性反演海底统计参数的统计反演策略、分层海底模型假设下的多频联合统计反演海底声学参数策略。
四、中科院声学所
中国科学院声学研究所成立于上世纪六十年代，主要致力于声学和信息处理技术学科的应用基础和高技术发展研究，着力提升海洋、能源、生命健康和信息网络等领域的自主创新和竞争能力，目前在国内海洋声学领域保持着鲜明特色和不可替代的地位。
（一）条件建设
目前中国科学院声学所在北京、青岛、上海、海南具有多个分支机构，围绕声场声信息研究及其数字信号处理相关科研与教学工作，已建成的声场声信息国家重点实验室逐渐成为国内开展海洋声学及相关科学研究的重要基地、国内外声学高层次人才交流与合作研究的示范基地、海洋领域优秀青年人才的培养基地。
（二）师资队伍建设
中国科学院声学所共有在职职工800多人，拥有声学、信号与信息处理、地球探测与信息技术等多个方向的博士、硕士研究生培养点。张仁和院士在水声物理与应用基础研究领域开展了开创性、系统性研究工作，提出了“广义相积分简正波理论”“波束位移射线简正波理论”“平滑平均声场理论”等一系列创新型成果，在我国沿海和西太平洋组织开展了百余次海上试验，积累了浅海与深海水声传播的试验数据和资料，其系列研究成果使我国的浅海声学研究处于国际先进地位。
（三）主要研究方向
中国科学院声学所聚焦的学科方向包括水声学、超声学和空气声学，重视开展基础性、战略性、前瞻性的声学基础研究与应用基础研究。目前，中国科学院声学所具有多个特色研究方向，在水声物理与水声探测技术领域主要探索海洋环境特性对声场影响的规律以及从声场中获取与环境特性有关的信息的方法，重视水声物理与声信息提取、水声信号处理理论与技术紧密结合。
五、海军潜艇学院
海军潜艇学院在海洋水声物理方向具有鲜明的军事应用特色，其学术带头人为笪良龙教授。2010年，笪教授在海洋水声环境领域的某重大研究成果荣获国家科技进步一等奖，被中央军委记一等功。
依托海军战术水声数据中心，海军潜艇学院在水声物理方向的主要研究内容包括在WKBZ本征函数的基础上，推导参考界面相位修正的一致表达式，针对双轴海洋声道采用波束位移射线简正波模型求解声场;构建实验环境下的用于水下声场计算的PC集群，开展了水平不变声道的WKBZ简正波模型和FOR3D抛物型模型的并行計算;利用海洋环境噪声测量潜标系统对南海典型海域开展长期的海洋环境噪声测量，获得南海海洋噪声谱级与水深、海区、风速的变化规律。
六、结语
水声物理是针对水下探测、定位、导航、识别、通信等工程应用的学科领域方向，重点研究海洋环境下的水声传播规律和水声信号处理方法，其具有基础理论要求高、学科交叉性强、应用领域广等特点。可以预见，水声物理在21世纪将拥有更为广阔的发展空间。通过梳理国内重点高校和研究机构在水声物理方向的学科建设情况，为新时代气象海洋学科体系建设提供有益借鉴和参考。
参考文献
[1]杨士莪.水声技术及在我国的发展[C]中国科学技术协会“科学技术面向新世纪”学术年会，1998，33-35.
[2]Paul CE.Underwater Acoustic Modeling and Simulation （Fourth Edition） [M].CRC Press，2013.
[3]刘清宇.海洋中尺度现象下的声传播研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.
[4]邵宝辉.耦合简正波声场计算方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.
[5]杨坤德，马远良，张忠兵等.不确定环境下的稳健自适应匹配场处理研究[J].声学学报，2006，31（3）：255-262.
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