奋斗六年，这个难题在岛城破解了 青岛海仪所研制的低频水声通信机在科研和民生领域都是香饽饽
您好，美济2号，我是美济1号！”2019年12月，当我国自主研制的低频水声通信机在大海上发出第一条信息时，喜悦之声沸腾了大片海面。近日，这一设备达到了研制的理想指标，这是山东省科学院海洋仪器仪表研究所锲而不舍奋斗六年，突破国外技术垄断并逐步实现超越的成果。
以实验室为家攻克难题
低频水声通信机是进行水下无线数据传输的必需设备，主要应用领域为深海环境下的海洋监测和军事调查，以及未来水下通信网络的建设与水下网络中心战技术的开展，可为与此相关的科研、军事活动提供可靠的技术保障，潜在用户主要有海洋石油、海洋地质调查、海洋科研、高校和海军等有关机构和单位，应用前景极为广阔。
海仪所位于崂山区，巩小东是海仪所低频水声通信项目负责人，他和团队成员们在艰苦的研制过程中付出了诸多心血和努力。“国外几家公司已经成系列地研制、生产了各种水声通信设备，但大都对我国实行了技术封锁和产品垄断，特别是对低频水声通信机实行禁运。我国自行研制的水声通信机虽然也在一些海洋考察中得到过应用，但总体来说不够成熟，尚未形成得到国内用户广泛认可的水声通信产品。”巩小东告诉记者，开展低频水声通信机研制，对解决我国低频水声通信产业中的“卡脖子”问题，以及国家深远海发展战略的推进具有重要意义。
2014年，海仪所科研团队确定目标后，开始组织力量全力以赴开展水声通信机的研制工作，团队成员是一群有水平、有干劲、有情怀的一线科研人员，水声通信项目内部代号定为“美济”，取自位于我国南海南沙群岛的美济岛，成员们通过这种方式表达自己的爱国情怀，立志研制出具有完全自主知识产权的低频水声通信机，突破国外的技术封锁。
低频水声通信机是一个完整的通信系统，和常见的手机通信系统类似，由于水声环境恶劣，在某些方面比陆地的无线电通信更为复杂，要克服水下信道时变、空变问题，特别是严重的多普勒频移问题。科研团队首要解决的是水声通信理论问题，成员分工合作大量研究技术资料和文献，所有成员都自觉开启了“备战模式”，以实验室为家，几乎每天都工作到午夜零点以后，积累的电子文献资料足足有10GB，经过多轮方案论证和大量海上试验验证，三年间逐步攻克了整套水声通信系统的关键核心算法。
锲而不舍发出首条信息
2017年，海仪所科研团队开始进行工程样机研制，此时成员们的干劲更足了，克服了一个又一个工程技术难题。“在低频水声通信机的接收电路里面用到一个可调电感元件，要求具备非常高的Q值和很宽的电感量调节范围，而这个元件又要依赖国外进口，成员们吸取了以前的教训，决心减少对国外的依赖，创新性地使用国产元件进行了变通替代，圆满地实现了系统功能。”巩小东告诉记者，低频水声通信机的换能器类似于手机的天线，是一个非常重要的部件，换能器的好坏关系到整个系统的通信速率和通信距离，经过长期研究试验，科研人员不断调整优化换能器胶料配方和压电陶瓷参数，最终研制出可以媲美国外进口产品的宽带低频水声换能器，实现了换能器的全国产化。
2019年12月，海仪所终于研制出了两台低频水声通信机工程样机，第一次在舟山群岛海域进行海试，试验当天成员们满怀信心，然而设备下水后通信效果并不理想，尽管成员们当时备受打击，但决不气馁，开始连夜进行数据分析和参数调整。熬红了双眼，成员们怀着期盼的心情等到第二天海试。巩小东紧盯着初步研制成功的工程样机，激动的心情至今记忆犹新。当接收机显控软件显示“您好，美济2号，我是美济1号！”时，成员们都热烈地鼓起掌来，海仪所研制的低频水声通信机终于在大海上发出了第一条信息！
从容应对各种海况挑战
2020年初，海仪所科研团队在疫情期间连续完成了三代硬件电路升级和轻型机械结构设计，隔离解除后立即进行系统加工和测试，先后完成了黄海、南海、东海等多个海域的试验，目前已经优于国外同类水声通信机水平，科研团队正在继续加紧测试和优化系统，目标是将所研制的低频水声通信机打造成为世界知名品牌。
今年7月，海仪所研制的低频水声通信机在胶州湾的海试成功使产品定型，达到了理想指标，“六年多的时间里，实际上我们这种科研是一直在改进的，会持续不断地进行提升，现在它已经可以从容应对辽阔海洋和各种海况的挑战了。”巩小东介绍说，经过多次测试，低频水声通信机水平方向通信距离可达7公里，垂直方向达到全海深，通信速率可以达到2400bps，也就是每秒约150个汉字。
在项目研制过程中，海仪所还进行了声学释放器研制，经过艰苦攻关突破了低速水声遥控技术，完成了高可靠性成套释放器关键技术研究，以科技成果作价入股完成成果转化，目前已经形成系列释放器产品。历经数年成功突破水声通信关键理论、数字信号处理系统、换能器等多项核心技术环节，海仪所研制出了完全自主可控的低频水声通信机，目前的实测效果已优于国外同类产品。
科研民生领域绽放光彩
除了用于海洋科考等科研领域，低频水声通信机还有很大的民用价值。巩小东介绍说，在远洋渔业中，这个设备可与拖网内传感器连接形成“水下网位仪”，实时传输拖网内鱼类的数量数据，减少起网时因“空网无鱼”造成的经济损失；在潜水活动中，“蛙人低频水声通信机”可实时监测和传输水下人的状态，并进行信息交流，减少因信息传输阻碍造成的生命伤亡；在海上风电领域，这个设备可以实时监测海底设备的腐蚀情况，便于及时发现和维护。
“我们这个成果的转化应用将实现对进口同类产品的完全替代，打破国外公司对我国水声通信产业的技术封锁和产品垄断，解除军民应用领域中使用进口设备的诸多限制。同时，将填补山东省水声通信产业的空白，促进我国水声通信产业向更高端迈进，并形成以海洋声学技术为主，海洋工程保障服务为辅的更大规模产业，进而有效带动当地就业。”巩小东告诉记者，海仪所科研团队在取得理想经济效益的同时，实现经济效益与生态效益、社会效益的协调发展，为青岛市全力打好经略海洋攻势，加快推动全市海洋经济高质量发展、争创全球海洋中心城市贡献力量。
今年内，海仪所计划将低频水声通信机进行产业化运营，争取在科技金融资金支持下，加快生产线建设，尽早将国产水声通信机打造成货架产品。未来还将根据不同的应用场景打造系列化产品，服务于海洋强国建设和民生领域发展。观海新闻/青岛晚报首席记者张译心
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