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北京日報:深海傳聲
2021/02/18 | 【 【打印】【關閉】

  

  制圖/焦劍

  

  朱敏在“蛟龍”號第一次海試的現場

  “親愛的觀眾們,萬米的海底妙不可言,希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底?!?/p>

  馬里亞納海溝,位于北太平洋西部,形成于6000萬年之前。海溝深達萬米,海底仿佛毫無生機,唯有黑暗、荒涼與寂靜……然而,這片深海的寂靜不久前被一個來自中國的“小家伙”打破了。

  20201110812分,我國自主研發的載人潛水器“奮斗者”號以10909米,坐底世界最深處馬里亞納海溝,三位潛航員第一時間通過水聲通信系統分享了他們的心情。此時此刻,全世界的觀眾第一次通過電視直播聽到了來自地球上這片最神秘的深海的聲音。

  從萬米深海之中將聲音即時分享給海面上的人們靠的是水聲通信。這也是“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁。令人驕傲的是,“奮斗者”號水聲通信系統實現了完全國產化,這意味著中國水聲通信技術已經位于世界最先進水平之列?!皧^斗者”號使用的水下聲學通信技術,是由朱敏研究員帶領的海洋聲學技術中心團隊研發的。從2012年的“蛟龍”號7000米海試成功,到2017年的“深海勇士”號完成4500米深潛,再到2020年的“奮斗者”號突破萬米的創舉,“中國之聲”實現了從最深的海底傳來……

  萬米深海傳來“中國之聲”

  “9998米、9999米、10000米、10909米!” 20201110日,“奮斗者”號創造了我國載人深潛的新紀錄。此時,在海面的母船“探索一號”上,參與海試的科研人員望著屏幕上滾動的數字,情緒一點點地沸騰……當10000米的數字跳躍在屏幕之上,周圍的掌聲已經響成一片。

  “親愛的觀眾們,萬米的海底妙不可言,希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底?!?span lang="en-US">2020年1110812分,三位潛航員第一時間通過水聲通信系統從馬里亞納海溝的萬米深海傳回了“中國之聲”。此時此刻,遠在萬里之外的北京中國科學院聲學研究所的辦公室內,有一個人正通過電視屏幕,默默地關注著這一切,露出掩飾不住的微笑,心頭既感到欣喜,又有一絲自豪,同時還有一份成功之后的釋然……他,就是中科院聲學所研究員朱敏。正是他帶領團隊負責完成了“奮斗者”號聲學系統中全海深水聲通信機、地形地貌探測聲吶、多波束前視聲吶、多普勒測速儀、避碰聲吶的自主研發以及定位聲吶和慣性導航設備的系統集成,實現了從萬米海底傳聲傳影。相較于前兩代的“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器,“奮斗者”號的聲學系統實現了完全國產化,突破了全海深難關,技術指標也更高。

  在茫茫深海,“奮斗者”號深潛,如同一粒芝麻撒進了大海,如何確定它的位置?此時,“聲音”成了最有效的信息傳遞方式??梢哉f,水聲通信技術是載人深潛器與母船之間溝通的唯一紐帶。朱敏告訴記者,水聲通信可用的工作頻率導致其數據率比較低,能夠傳輸的信息量比較少。如何能在低頻率下,盡可能多和盡可能快地傳播信息?朱敏團隊運用了一個關鍵的核心技術——相干通信技術,包括一整套從信號編碼調制到信道自適應均衡和糾錯編解碼等技術構成的整體解決方案,來克服遠距離傳輸帶來的信號損耗,在信號微弱的情況下提取出有效信息。

  “考慮到載人潛水器的應用,我們在通信系統中設計了六大功能?!敝烀舾嬖V記者,在設計之初,這套系統就充分考慮到載人潛水器的各方面需求,比如潛水器與水面通話的語音功能、數據和文字傳輸功能??紤]到“一張圖能頂千言萬語”,為了讓人們詳細了解水下環境,朱敏和團隊還在系統里設計了照片傳輸功能。同時,為了應對水底可能出現的復雜情況,這套系統還包括了一套摩爾斯碼和擴頻碼,可在極其惡劣的噪聲干擾下保證指令的傳達。

  7000米到10000米的飛躍

  百丈高樓,非一日壘成?!皧^斗者”號水聲通信技術驕人的成績,是經過20年的科研積累,最終實現的一次飛躍。

  在朱敏的辦公桌上,擺放著一組模型,從上往下依次是“深海勇士”號、“蛟龍”號和“奮斗者”號,這代表著中國載人深潛發展的三個階段。

  中國深海水聲通信的發展,也同樣經歷了“三步走”:2012年,“蛟龍”號深潛至海底7000米,當時水聲通信以國內的“硬核”技術作為支撐,輔之以很少一部分的國外設備和零件;2017年的“深海勇士”號除了一個聲吶外,從零件到技術已基本實現了國產化;及至2020年的“奮斗者”號,所有技術和零部件徹底實現了國產化。

  “如果當年的‘蛟龍’號沒有成功,就沒有后面的‘深海勇士’號和‘奮斗者’號?!敝烀魧ⅰ皧^斗者”號的成功歸結為“蛟龍”號打下的堅實基礎?!膀札垺碧柕摹?span lang="en-US">7000米載人潛水器聲學系統”是朱敏獨立承擔的第一個項目,最令他難以忘懷。因為那是一次“從無到有”的經歷,也是任務最困難、科研周期最長的一個階段——

  2002年,一個和朱敏科研生涯相關的決定悄然落地。那一年,科技部將深海載人潛水器研制列為國家高技術研究發展計劃(863計劃)重大專項,啟動“蛟龍”號載人深潛器的自行設計、自主集成研制工作。憑借一直以來優異的表現,年僅32歲的朱敏從2003年開始擔任國家“十五”863重大專項“7000米載人潛水器”的副總設計師、聲學系統負責人,主要負責載人潛水器聲學系統的總體設計。

  接手這個工作,朱敏深感責任重大。在陸地上,通信依靠電磁波可達光速。但電磁波只能深入海水幾十米,在幾千米的深海完全沒有用武之地。只有聲波,在海水中可以傳播很遠,水聲通信技術因此應運而生。水聲通信,這是一項在水下收發信息的技術,它的工作原理是先將文字、語音、圖像等信息經過編碼、調制處理后,由功率放大器推動聲學換能器將電信號轉換為聲信號。聲信號通過水這一介質,將信息傳遞到遠方的接收換能器后,聲信號又轉換為電信號,經過放大、濾波和數字化后,數字信號處理器對信號進行自適應均衡、糾錯等處理,還原成聲音、文字及圖片。依靠水聲通信技術,可以實現對水下機器人的遠程控制,還可在載人潛水器和母船之間實現無纜語音通話和數據傳輸,并進行海洋監測。

  由于水聲通信技術的敏感性以及巨大的應用價值,國外長期將之列為禁止出口中國的高技術產品。上世紀90年代初,有一次我國863計劃訪問團在法國考察,當中國專家談起水聲通信技術時,法國人連連搖頭說:“關于水聲通信技術,一切免談!”

  阻礙也是奮起的動力。當時,國外水聲通信領域的主流技術是水聲電話,我國的科研人員完全可以選擇這個領域攻堅。但是,為了能在完成研發后仍保持在國際上的先進性,朱敏在導師朱維慶的帶領下,選擇了研發當時具有較好技術基礎但還不成熟的高速數字水聲通信技術方案。這是一個“冒險”的決定,因為當時這個技術在國際上還處于實驗室階段,相當不成熟。為了這個決定,朱敏和團隊開始走上了一條艱苦卓絕的科研之路。

  如何在復雜的海水環境中有效提取信號?“蛟龍”號潛入深海數千米,如何與母船保持聯系?在對比國外相關技術,同時考慮“蛟龍”號實際需求的基礎上,朱敏帶領的聲學所團隊日夜奮戰在實驗室里,花了兩年多時間突破了關鍵核心技術,自主研發水聲通信系統的核心設備——水聲通信機,并制定出了通信機的具體技術方案,即采用了相干水聲通信、非相干水聲通信、擴頻水聲通信、水聲電話四種通信技術手段,使之能夠在不同的水聲環境下實現圖像、文字、指令等數據的即時傳輸。朱敏形象地比喻,這是將水下通信功能由“水下電話”升級成了“水下QQ”。

  直到現在,這套“冒著風險”研發的技術,相比國外的水聲通信技術,仍足足領先了一代。先進的水聲通信和海底微地形地貌探測能力,也成了“蛟龍”號載人潛水器的標志性成果之一。

  4次海試最終“化繭成蝶”

  檢驗科研成果最好的方式就是實踐。從2009年到2012年,“蛟龍”號做了4次海試。

  萬事開頭難。2009年“蛟龍”號1000米海試時,這支由朱敏負責的聲學系統團隊都是70后、80后的“娃娃兵”,接觸潛水器的時間短,海試經驗少,集中暴露出了很多問題。朱敏告訴記者,當時的聲學系統在設計時,沒有充分考慮到船舶本身的噪聲問題,再加上試驗正值臺風多發季節,試驗期間遇到了4次臺風、4個熱帶風暴,在如此惡劣的海況中,船體噪聲很大,50米海區的海洋背景噪聲也很大,母船與潛水器的通信就如同“兩個人隔著大馬路,在穿梭往來的汽車噪聲中說話,結果誰也聽不見?!边@個措手不及的問題,“一棒子把所有人都打蒙了”。

  如何把船的噪聲抑制掉?如何讓水聲通信成為“蛟龍”號這個水底的“孩子”與“母親”傳輸的紐帶?這關系到試驗的成敗。船上百余名科研工作者將希望全寄托在了朱敏帶領的團隊身上。一名參加過1000米海試的隊員回憶,每天的指揮部會議上,朱敏都被催問,怎么還沒好,什么時候能好?朱敏本來說話聲音就不大,一次次被催問,急得聲音都堵在了嗓子眼,幾乎沒人聽得清。

  而就在這個緊要關頭,朱敏的愛人提前進行剖腹產。趁“向陽紅09”船靠港補給時,朱敏急忙趕到醫院,因為早產,孩子被放在保溫箱里,他在醫院只陪了愛人一個晚上,第二天匆匆又返回了海試現場。

  再難也要堅持下去!背負著重重壓力,朱敏沉下心仔細分析了整個系統,最后發現是因為主船的噪音太大,導致他們的設計系統無法正常運行。查找原因、修改軟件、重新編程……一連十幾天,朱敏帶領團隊成員幾乎每天都奮戰到深夜。經過反復試驗,問題終于得以解決,所有人長舒了一口氣。

  2012627日,中國載人深潛器“蛟龍”號7000米級海試最大下潛深度達7062米,再創中國載人深潛紀錄。而在這背后,朱敏的心其實一直是懸著的。每次下潛,當潛水器布放階段結束,其他海試隊員紛紛離開時,朱敏和團隊成員卻會默默地留下來,布放聲學通信吊陣。聲學通信吊陣由4個換能器組成的換能器陣和電子吊艙兩部分組成,由一根長電纜拖曳在母船身后,建立起“蛟龍”號與母船溝通的橋梁。此時,他們并不知道這些經驗會在日后派上大用場。2012615日,當“蛟龍”號在下潛試驗中達到6200米左右深度時,聲學數字通信系統意外中斷了。朱敏當機立斷,馬上對聲學吊陣進行回收和檢查,發現是由于拖曳電纜破損進水導致的短路。他們立刻將進水的那段電纜截斷并重新加工了承重水密連接頭,并對接頭進行了相應處理,經過十幾個小時的持續工作,“蛟龍”號再次“生龍活虎”起來。

  從一開始的手忙腳亂,到現在沉著冷靜地處理各種突發狀況,朱敏和他的團隊逐漸成長,而經過了歷次大深度海試的考驗,這套自主研發的水聲通信系統也越來越穩定。

  身為一名科研工作者,全身心投入工作在朱敏看來義不容辭。對于陪伴家人的時間太少,朱敏雖心有愧疚,卻無怨無悔。談起在孩子出生時,因為忙于海試沒有在孩子身邊這件事情,朱敏連連擺手說,這不算什么,這種情況對海洋科學工作者來說再平常不過了。事實上,在他的團隊里,許多科研工作者的孩子都是伴隨著“蛟龍”號的海試出生的,這些寶寶也被團隊成員們稱為“7000米寶寶”。

  “目前正在完成‘奮斗者’號的海試報告,然后還有下一階段的任務?!敝烀舾嬖V記者,深海蘊含無限的奧秘,等待人們去探索、去發現,這也是科研工作者最大的動力。一切成績只屬于過去,前路漫漫,任重道遠。

  作者:傅洋

  來源:《北京日報》 (2021-02-18 16版京韻周刊·領創)

  報道鏈接:

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

  

 
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