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北京日报:深海传声
2021/02/18 | 【 【打印】【关闭】

  

  制图/焦剑

  

  朱敏在“蛟龙”号第一次海试的现场

  “亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。”

  马里亚纳海沟,位于北太平洋西部,形成于6000万年之前。海沟深达万米,海底仿佛毫无生机,唯有黑暗、荒凉与寂静……然而,这片深海的寂静不久前被一个来自中国的“小家伙”打破了。

  20201110812分,我国自主研发的载人潜水器“奋斗者”号以10909米,坐底世界最深处马里亚纳海沟,三位潜航员第一时间通过水声通信系统分享了他们的心情。此时此刻,全世界的观众第一次通过电视直播听到了来自地球上这片最神秘的深海的声音。

  从万米深海之中将声音即时分享给海面上的人们靠的是水声通信。这也是“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁。令人骄傲的是,“奋斗者”号水声通信系统实现了完全国产化,这意味着中国水声通信技术已经位于世界最先进水平之列。“奋斗者”号使用的水下声学通信技术,是由朱敏研究员带领的海洋声学技术中心团队研发的。从2012年的“蛟龙”号7000米海试成功,到2017年的“深海勇士”号完成4500米深潜,再到2020年的“奋斗者”号突破万米的创举,“中国之声”实现了从最深的海底传来……

  万米深海传来“中国之声”

  “9998米、9999米、10000米、10909米!” 20201110日,“奋斗者”号创造了我国载人深潜的新纪录。此时,在海面的母船“探索一号”上,参与海试的科研人员望着屏幕上滚动的数字,情绪一点点地沸腾……当10000米的数字跳跃在屏幕之上,周围的掌声已经响成一片。

  “亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。”20201110812分,三位潜航员第一时间通过水声通信系统从马里亚纳海沟的万米深海传回了“中国之声”。此时此刻,远在万里之外的北京中国科学院声学研究所的办公室内,有一个人正通过电视屏幕,默默地关注着这一切,露出掩饰不住的微笑,心头既感到欣喜,又有一丝自豪,同时还有一份成功之后的释然……他,就是中科院声学所研究员朱敏。正是他带领团队负责完成了“奋斗者”号声学系统中全海深水声通信机、地形地貌探测声呐、多波束前视声呐、多普勒测速仪、避碰声呐的自主研发以及定位声呐和惯性导航设备的系统集成,实现了从万米海底传声传影。相较于前两代的“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器,“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化,突破了全海深难关,技术指标也更高。

  在茫茫深海,“奋斗者”号深潜,如同一粒芝麻撒进了大海,如何确定它的位置?此时,“声音”成了最有效的信息传递方式。可以说,水声通信技术是载人深潜器与母船之间沟通的唯一纽带。朱敏告诉记者,水声通信可用的工作频率导致其数据率比较低,能够传输的信息量比较少。如何能在低频率下,尽可能多和尽可能快地传播信息?朱敏团队运用了一个关键的核心技术——相干通信技术,包括一整套从信号编码调制到信道自适应均衡和纠错编解码等技术构成的整体解决方案,来克服远距离传输带来的信号损耗,在信号微弱的情况下提取出有效信息。

  “考虑到载人潜水器的应用,我们在通信系统中设计了六大功能。”朱敏告诉记者,在设计之初,这套系统就充分考虑到载人潜水器的各方面需求,比如潜水器与水面通话的语音功能、数据和文字传输功能。考虑到“一张图能顶千言万语”,为了让人们详细了解水下环境,朱敏和团队还在系统里设计了照片传输功能。同时,为了应对水底可能出现的复杂情况,这套系统还包括了一套摩尔斯码和扩频码,可在极其恶劣的噪声干扰下保证指令的传达。

  7000米到10000米的飞跃

  百丈高楼,非一日垒成。“奋斗者”号水声通信技术骄人的成绩,是经过20年的科研积累,最终实现的一次飞跃。

  在朱敏的办公桌上,摆放着一组模型,从上往下依次是“深海勇士”号、“蛟龙”号和“奋斗者”号,这代表着中国载人深潜发展的三个阶段。

  中国深海水声通信的发展,也同样经历了“三步走”:2012年,“蛟龙”号深潜至海底7000米,当时水声通信以国内的“硬核”技术作为支撑,辅之以很少一部分的国外设备和零件;2017年的“深海勇士”号除了一个声呐外,从零件到技术已基本实现了国产化;及至2020年的“奋斗者”号,所有技术和零部件彻底实现了国产化。

  “如果当年的‘蛟龙’号没有成功,就没有后面的‘深海勇士’号和‘奋斗者’号。”朱敏将“奋斗者”号的成功归结为“蛟龙”号打下的坚实基础。“蛟龙”号的“7000米载人潜水器声学系统”是朱敏独立承担的第一个项目,最令他难以忘怀。因为那是一次“从无到有”的经历,也是任务最困难、科研周期最长的一个阶段——

  2002年,一个和朱敏科研生涯相关的决定悄然落地。那一年,科技部将深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项,启动“蛟龙”号载人深潜器的自行设计、自主集成研制工作。凭借一直以来优异的表现,年仅32岁的朱敏从2003年开始担任国家“十五”863重大专项“7000米载人潜水器”的副总设计师、声学系统负责人,主要负责载人潜水器声学系统的总体设计。

  接手这个工作,朱敏深感责任重大。在陆地上,通信依靠电磁波可达光速。但电磁波只能深入海水几十米,在几千米的深海完全没有用武之地。只有声波,在海水中可以传播很远,水声通信技术因此应运而生。水声通信,这是一项在水下收发信息的技术,它的工作原理是先将文字、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后,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。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,并进行海洋监测。

  由于水声通信技术的敏感性以及巨大的应用价值,国外长期将之列为禁止出口中国的高技术产品。上世纪90年代初,有一次我国863计划访问团在法国考察,当中国专家谈起水声通信技术时,法国人连连摇头说:“关于水声通信技术,一切免谈!”

  阻碍也是奋起的动力。当时,国外水声通信领域的主流技术是水声电话,我国的科研人员完全可以选择这个领域攻坚。但是,为了能在完成研发后仍保持在国际上的先进性,朱敏在导师朱维庆的带领下,选择了研发当时具有较好技术基础但还不成熟的高速数字水声通信技术方案。这是一个“冒险”的决定,因为当时这个技术在国际上还处于实验室阶段,相当不成熟。为了这个决定,朱敏和团队开始走上了一条艰苦卓绝的科研之路。

  如何在复杂的海水环境中有效提取信号?“蛟龙”号潜入深海数千米,如何与母船保持联系?在对比国外相关技术,同时考虑“蛟龙”号实际需求的基础上,朱敏带领的声学所团队日夜奋战在实验室里,花了两年多时间突破了关键核心技术,自主研发水声通信系统的核心设备——水声通信机,并制定出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。朱敏形象地比喻,这是将水下通信功能由“水下电话”升级成了“水下QQ”

  直到现在,这套“冒着风险”研发的技术,相比国外的水声通信技术,仍足足领先了一代。先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力,也成了“蛟龙”号载人潜水器的标志性成果之一。

  4次海试最终“化茧成蝶”

  检验科研成果最好的方式就是实践。从2009年到2012年,“蛟龙”号做了4次海试。

  万事开头难。2009年“蛟龙”号1000米海试时,这支由朱敏负责的声学系统团队都是70后、80后的“娃娃兵”,接触潜水器的时间短,海试经验少,集中暴露出了很多问题。朱敏告诉记者,当时的声学系统在设计时,没有充分考虑到船舶本身的噪声问题,再加上试验正值台风多发季节,试验期间遇到了4次台风、4个热带风暴,在如此恶劣的海况中,船体噪声很大,50米海区的海洋背景噪声也很大,母船与潜水器的通信就如同“两个人隔着大马路,在穿梭往来的汽车噪声中说话,结果谁也听不见。”这个措手不及的问题,“一棒子把所有人都打蒙了”。

  如何把船的噪声抑制掉?如何让水声通信成为“蛟龙”号这个水底的“孩子”与“母亲”传输的纽带?这关系到试验的成败。船上百余名科研工作者将希望全寄托在了朱敏带领的团队身上。一名参加过1000米海试的队员回忆,每天的指挥部会议上,朱敏都被催问,怎么还没好,什么时候能好?朱敏本来说话声音就不大,一次次被催问,急得声音都堵在了嗓子眼,几乎没人听得清。

  而就在这个紧要关头,朱敏的爱人提前进行剖腹产。趁“向阳红09”船靠港补给时,朱敏急忙赶到医院,因为早产,孩子被放在保温箱里,他在医院只陪了爱人一个晚上,第二天匆匆又返回了海试现场。

  再难也要坚持下去!背负着重重压力,朱敏沉下心仔细分析了整个系统,最后发现是因为主船的噪音太大,导致他们的设计系统无法正常运行。查找原因、修改软件、重新编程……一连十几天,朱敏带领团队成员几乎每天都奋战到深夜。经过反复试验,问题终于得以解决,所有人长舒了一口气。

  2012627日,中国载人深潜器“蛟龙”号7000米级海试最大下潜深度达7062米,再创中国载人深潜纪录。而在这背后,朱敏的心其实一直是悬着的。每次下潜,当潜水器布放阶段结束,其他海试队员纷纷离开时,朱敏和团队成员却会默默地留下来,布放声学通信吊阵。声学通信吊阵由4个换能器组成的换能器阵和电子吊舱两部分组成,由一根长电缆拖曳在母船身后,建立起“蛟龙”号与母船沟通的桥梁。此时,他们并不知道这些经验会在日后派上大用场。2012615日,当“蛟龙”号在下潜试验中达到6200米左右深度时,声学数字通信系统意外中断了。朱敏当机立断,马上对声学吊阵进行回收和检查,发现是由于拖曳电缆破损进水导致的短路。他们立刻将进水的那段电缆截断并重新加工了承重水密连接头,并对接头进行了相应处理,经过十几个小时的持续工作,“蛟龙”号再次“生龙活虎”起来。

  从一开始的手忙脚乱,到现在沉着冷静地处理各种突发状况,朱敏和他的团队逐渐成长,而经过了历次大深度海试的考验,这套自主研发的水声通信系统也越来越稳定。

  身为一名科研工作者,全身心投入工作在朱敏看来义不容辞。对于陪伴家人的时间太少,朱敏虽心有愧疚,却无怨无悔。谈起在孩子出生时,因为忙于海试没有在孩子身边这件事情,朱敏连连摆手说,这不算什么,这种情况对海洋科学工作者来说再平常不过了。事实上,在他的团队里,许多科研工作者的孩子都是伴随着“蛟龙”号的海试出生的,这些宝宝也被团队成员们称为“7000米宝宝”。

  “目前正在完成‘奋斗者’号的海试报告,然后还有下一阶段的任务。”朱敏告诉记者,深海蕴含无限的奥秘,等待人们去探索、去发现,这也是科研工作者最大的动力。一切成绩只属于过去,前路漫漫,任重道远。

  作者:傅洋

  来源:《北京日报》 (2021-02-18 16版京韵周刊·领创)

  报道链接:

  https://bjrbdzb.bjd.com.cn/bjrb/mobile/2021/20210218/20210218_016/content_20210218_016_1.htm#page15?digital:newspaperBjrb:AP602d745de4b02e24e097a5ac

  

 
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