一、成果介绍
1.海底特性多波束一体化声学探测技装备
【项目概述】海底地形、地貌和浅地层剖面等海底特性信息是海底资源勘测与开发、海底科学考察、海上工程建设以及海底军事等活动中不可或缺的海洋环境基础要素。多年来，国内外对海底特性声学探测一直采用多种装备异点、异步、分时探测及数据内业处理的传统作业模式。伴随海底多要素精细探测需求不断提高，逐渐暴露出多种探测装备联合探测时难以精确位置配准、异步获取多源数据有效融合困难甚至无法融合、分时或异步多次探测效率低且作业成本居高不下等诸多弊端，特别是近年来在海洋领域具有举足轻重作用的水下无人平台，其有限空间和能源配置难以同时搭载多种声学探测装备，因此具有多功能的一体化声学探测装备正在成为国际上高端声学装备发展趋势之一。基于此，哈尔滨工程大学联合中国船舶重工集团公司第七二六研究所，在科技部国际科技合作项目、国家自然科学基金科学仪器基础研究专项和面上项目、黑龙江省科技计划项目、上海市军民结合项目等国家和省部科技计划项目的支持下，通过近十二年自主研发与关键技术联合攻关，创新提出宽带参量发射与宽带矢量接收一体化组合基阵新技术、海底特性多波束一体化声学探测新技术，自主研制了多型海底特性多波束一体化声学探测装备，形成了海底地形地貌及浅地层剖面多波束一体化声学探测方法及装备研制技术体系。
2020年，“海底特性多波束一体化声学探测技术与装备研制”获得中国造船工程学会科学技术奖一等奖。在国际上首次提出海底地形地貌与浅地层剖面共点同步探测方法、宽带参量发射与宽带矢量接收一体化组合基阵设计方法，建立了海底特性多波束一体化声学探测信号处理架构，国际上首次研制成功海底地形地貌及浅地层剖面多波束一体化声学探测装备，解决了当今国际上普遍采用的多种声呐联合进行海底特性探测时存在的精确位置配准与多源异步数据融合难、探测效率低、作业成本高等缺陷，填补了国际上海底特性多波束一体化声学探测装备的空白。
项目独立自主开展了海底表面与海底浅地层剖面共点同步探测机理、宽带参量与矢量声学一体化组合基阵、海底特性多波束一体化声学探测装备研制等方面的技术研究，取得了多元海底特性共点同步多波束一体化声学探测关键技术的重大突破。
【项目成熟情况】海底特性多波束一体化声学探测装备是水声学、现代电子技术、计算机以及现代数字信号处理等高新技术密集型产品。随着海洋资源开发的不断深化，海底多元特性一体化探测模式已成为发展趋势，国内外市场上对海底多元特性同步共点获取新装备的需求量进一步扩大。预期海底特性多波束一体化声学探测装备将在大面积扫海测量、海洋工程、海底资源勘查与开发、水库库容测量、河道疏浚土方量测量、水下搜救、水下考古等民用领域以及海战场准备、海底辅助地形匹配导航、潜航器避碰、蛙人监测与安防等军事领域具有十分广阔的应用前景。
长期以来，我国高端海底特性多波束探测声呐一直依赖国外进口，不但价格昂贵、指标虚高、有效售后服务困难，而且测绘信息存在泄露的安全隐患，在敏感场合更难安全应用，尤其高端产品及其核心技术一直受以美国为首的西方国家严密封锁，无法满足国家海洋强国战略下军民领域对高端多波束探测声呐的重大需求，特别是对海底同步共点精细测量的战略需求。因此，本项目的完成对解决我国海洋探测装备领域的“卡脖子”问题具有重要的社会效益，既满足了未来敏感海域、要地水下地形地貌精细测量战略需求，又打破了国外对海底探测技术的垄断，树立了民族自信心，为我国海洋信息获取与海洋开发提供了核心技术保障和装备支撑，进一步助推了海洋强国梦的快速实现。
本系统技术成熟已达7级，证明可行，（合作方式）可以股权投资、风险投资、合作开发的合作方式进行推广应用。
【应用范围】项目成果已应用于海底地形地貌勘测国家重点专项，国家级海洋牧场基础设施调查，东海大桥、舟山海缆重大工程检测等民用领域以及海战场环境勘察与水下装备试验等军用领域。
2.水下信息网络系统
【项目概述】水下信息网络系统提供可靠的通信链路，各个固定或移动节点均可自由的接入网络，快速准确的收发信息，从而构成跨系统，跨任务，跨平台的综合性分布自主式水下综合信息网络体系，增强水下信息透明度。
项目主要具备的能力包括：近程高速率OFDM水声通信（高速率），远程低信噪比稳健扩频水声通信（低速率），基于分布式信息网络的被动隐蔽定位，自由接入且自主修复的动态半自主式网络，释放器的数据传输与遥控释放的功能集成。
本项突破了多项关键技术，研制了多种类的水声通信节点，实现了基于网络的顶层应用功能设计及验证，获得了多项具有自主支持产权的研究成果。
（1）远程水声通信技术
研究了水下扩频通信技术，采用多普勒搜索跟踪及RAKE接收机技术解决了浅海、运动条件下的远程、低功耗水下通信的可靠性问题。通信速率为35bps，最大通信距离超过50公里，误码率低于10-4。该指标为国内领先水平。
研究了宽带正交多载波扩频调制及改进的RAKE接收机技术，海上试验的通信速率为115bps，误码率10-4。研制了多节点水下数据无线传输设备，已成功应用于某海军港口堤坝安全监测中。实现了岸基单元对水下节点的遥测及节点数据回传，传输距离超过6公里。该成果已达到国内领先水平。
（2）高速水声通信技术
为解决水下声通信速率过低的问题，研究了OFDM水声通信系统中的宽带匹配、子载波调制、高速信号处理等技术，在浅水水平信道实现最大通信距离3.5km，最大通信速率50kbps以上，最低误码率10-6。垂直信道情况下，实现实时视频传输，通信速率为53.2kbps，误码率为10-5。目前只有美国和日本进行过类似的试验，该指标达到国际先进水平。
（3）全双工水声通信技术
创新性的提出了基于矢量传感器的全双工水声通信技术，采用OFDM和扩频两种通信制式和基于矢量传感器的收发分置的设计方案，综合频分、码分和空分等多种技术手段，首次成功研制了3个具有多用户和全双工通信能力的水下通信网络节点。经过了湖上和海上试验的验证，该节点可在5公里距离上可同时接收其它两个节点通信数据（多用户通信），或在向另一方发送通信信号的同时接收其它节点信号（全双工通信）。上述技术属独创性的研究工作，在国内外未见同类研究成果，达到了国际领先水平。
（4）分布式网络定位技术
提出基于分布式水声网络实现节点被动定位的新理论和新方法，突破网络节点声同步及远程稳健通信的关键技术，为建立集通信与定位于一体的水声信息网络提供理论依据、技术支撑及演示验证系统。演习验证系统海试中实现500km2以上的覆盖区域内，固定节点最大工作距离大于50km，定位精度小于200m的被动定位结果。该成果达到国际领先水平。
目前项目已结题验收，多项研究成果得到应用，并取得良好的经济社会效益。
主要专利：
【项目成熟情况】项目中的所有功能产品均已具有成熟的样机，其中低速稳健扩频通信机已经小批量生产，并在实际应用中为应用单位解决了水下信息传输难题。
【应用范围】海洋环境监测（CTD、ADCP数据采集），海洋资源开发（深海油气田），海洋权益维护（水下信息感知），水下数据通信、水下多媒体通信、水下机器人遥控、水下采集设备数据转发、海洋环境检测、水下网络定位系统、水声传感网络等领域。
3.水下语音通信系统
【项目概述】水声语音通信机又称“水下移动电话”、“水下对讲机”，保持了很高的语音质量，通话完整连续，延迟短，在很多领域，如水下考古、海洋环境监测、水下电缆管道监测维修、潜水观光等商业民用领域也有非常广泛的应用。
本项目在国际上首次采用OFDM调制方式在水声信道中传输语音信号，突破了运动条件下，恶劣海洋环境和水文条件下的高速、高可靠性实时连续通信的关键技术，解决了复杂水声信道中大数据率信号实时传输以及小数据率信号可靠传输的问题，满足了语音通信中对信号传输的带宽和实时性的要求，研制了“数字式水声语音通信处理”设备，开发了一系列软件、算法，实现了水面与水下载人潜水器、水下潜器之间、潜水员之间的实时通话。
主要专利：
【项目成熟】情况该项目已完成样品阶段，已经为多个单位设计了实用系统。该项目整体达到国际先进水平，已经应用于中船重工七五〇试验场的湖上测试系统、中船705研究所的水下通信系统中。
【应用范围】深海载人潜水器、潜水员、蛙人作战部队、水下检测与维修、海底油气资源开发、海洋环境的监测、水下考古、潜水运动、旅游观光等领域。
4.环境自适应高速水声通信技术及网络
【项目概述】本成果属海洋信息技术领域中的声学技术研究方向。高速水声通信与组网技术可实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互，是构建天临空海一体化信息网络不可缺失的一环。成果依托国家863计划重点项目、国家自然科学基金项目，围绕军民领域对于水下信息高效传输的实际需求和痛点问题，开展了环境自适应高速水声通信技术及网络研究。成果可广泛应用于海洋工程装备制造、海洋专用仪器制造等国民经济行业，解决水下信息无线、实时传输的难题。本成果授权发明专利26项、公开31项；发表学术论文99篇；形成1项技术规范；23项软著。
主要创新点包括：
（1）提出了基于时序多重稀疏贝叶斯学习的OFDM时域多符号联合信道估计方法，解决了OFDM水声通信的高精度信道估计难题，实现了通信距离与速率乘积94.5km*kbps的水声通信能力。
（2）提出了基于OFDM同步信号和循环前缀的多普勒高精度联合跟踪估计方法，解决了复杂海洋环境及运动平台水声OFDM非一致多普勒估计与补偿难题。
（3）提出了基于水声统计信道状态信息的自适应水声通信网络协议和自适应切换方法，并研制了参数可重配置的多体制高速水声通信网络节点，解决了水声通信网络中固定协议导致传输不稳定的问题，实现了南海45天的水下通信网络系统连续稳定运行。
成果已应用于水下语音通信装备、海洋环境实时观测、UUV水下移动通信等领域，推动了我国水下高速通信组网技术发展，具有较高的社会和经济效益。获得了2020年度中国造船工程学会科学技术奖一等奖。
【项目成熟】情况成果已应用于中船重工第719研究所、中科院海洋所、中电科研究院等科研院所，实现了水下无线传感器网络、水下UUV编队协同、水下对讲机、深海环境参数实时回收等应用，并形成了XX型装备。
未来将为各类水下环境观测网络、深海资源勘探网络、海上石油钻井平台提供稳健高效的水下信息实时传输保障，服务于“智慧海洋”、“海洋牧场”等建设；大规模装载于水下载人潜器、水下无人潜航器等各类水下移动平台，实现水下平台作业时的“信息透明”；大规模应用于水下蛙人作业、潜水娱乐活动中，实现水上、水下间的即时、高保真语音通话及视频通话。合作方式可包括技术入股、合作开发、技术服务等形式。
成果技术成熟已达8级，已经开始进行小批量生产，成品经用户充分使用，证明可行。
【应用范围】成果适用于海洋工程装备制造、海洋专用仪器制造等国民经济行业，可实现水下信息无线、实时、高效传输。
5.深海声通信系列换能器
【项目概述】深海换能器是为适应我国走向远海和国家深海发展战略提出的。各种深水潜航器、深海声学节点离不开能够适应深海压力环境的水声换能器，海洋工程领域中深海地质地貌普查及深海油气资源勘探需要深海低频大功率声发射设备支持。
深海换能器系列包含压电圆管深海换能器和Janus-Helmholtz深海换能器，可用于深海水声通信、低频主动声呐和深海资源勘探设备。其中深水圆管换能器系列工作频率分别为5-11kHz和7-17kHz，最大声源级分别为194dB和191dB，工作深度6000米；深水Janus-Helmholtz换能器工作频带500-2kHz，最大声源级200dB,工作深度3000米。
该产品解决了水声换能器高静水压环境下结构耐压问题，且该环境下仍具有良好的声学性能。因此深海换能器市场前景广阔，具有较好的的经济效益和社会效益。
【项目成熟情况】该成果目前技术较为成熟，产品性能稳定，处于小批量生产阶段。
【应用范围】压电圆管深海换能器具有水平无指向性、工作频带宽、声源级高的特点，可用于深海水声通信、声呐浮标、应答器等水下对抗设备中。深水Janus-Helmholtz换能器具有低频、宽带、大功率深水工作等特点，可用于低频大功率主动声呐、远程水声通信、深海油气资源勘探设备等。
6.小型、便携式水声语音通信系统
【项目概述】作为人与人之间最直接、有效的通信方式之一，语音通信技术越来越受到人们的重视，特别是在可见度有限的水下环境中，人与人之间的通信主要依靠语音，如水下蛙人通信、对潜通信和载人潜器通信等。目前，还未出现可适用于水下蛙人携带等特定场合的水下语音通信系统，本项目正是在此基础上通过层叠式布放将DM642处理板、测放电路板、功放电路板、变压器以及电源转换模块等封装到一个机箱内（尺寸为15cm*15cm*7cm），研制和实现了一种便携式、小型化、实时、双工的水声语音通信系统。
技术特点：
MELP语音编码技术由于其具有较高质量的合成语音，从而受到广泛研究，本项目水声语音通信系统正是采用该技术对语音信号进行压缩编码。由于水声信道可用带宽有限，且编码速率越低，通信过程中其所占带宽越小，故本项目对传统的2.4kbpsMELP编码算法进行了改进，实现了一种0.6kbpsMELP语音编码算法。
OFDM技术由于其频带利用率高和抗多途能力强的特点，被广泛的应用于水声通信领域，本项目水声语音通信系统正是通过采用OFDM技术对信号进行传输，并且通过采用LS信道估计算法对信道进行了估计与均衡。
由于OFDM技术对载波频偏十分敏感，而多普勒频移破坏了OFDM子载波间的正交性，严重影响了其性能和通信质量。因此，如何降低多普勒频移的影响是提高OFDM水声语音通信质量的关键。本项目通过采用基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计算法对多普勒频偏进行了估计与补偿。
技术水平：
上述水声语音通信系统中所采用的关键技术均是目前处于领先地位或是由于性能较高而普遍使用的。
主要技术指标：
（1）通信距离不低于1km；
（2）通信误码率低于1%；
（3）合成语音质量具有较高的清晰度与可懂度。
【项目成熟情况】目前，本项目处于样品阶段，已通过水池实验对本项目实时、双工的水声语音通信系统的性能进行了验证，实验结果显示，该系统能够进行高质量的语音通信，其恢复的语音具有较高的清晰度与可懂度，并且该系统具有一定的抗多普勒频偏的能力，在收发双方匀速运动或加速度较小的情况下，能够消除多普勒频偏的影响，实现高质量语音通信。
【应用范围】在水下作业、水下救援、水下科考、水下潜水娱乐等领域。
7.UUV推进电机隔声装置
【项目概述】UUV推进电机的隔声装置主要采用了空腔隔声理论，由隔声罩主体与粘弹性材料组成。
针对UUV推进电机这种较小尺度的结构进行隔声装置设计，首先要针对其辐射声的主要频段，结合空腔隔声理论，进行初步的隔声罩空气层尺寸设计。然后结合具体电机的结构形式设计隔声罩主体的基本结构尺寸。按照该电机的主要工作环境（温度、水深及航行器航速等）进行结构微设计,确定隔声罩主体结构所选用的材料特性参数。根据以上结构的初步设计结果，结合具体应用环境及声学设计要求，对UUV推进电机及隔声罩分别进行数值建模，在隔声罩外层敷设不同参数的粘弹性材料，进行隔声效果预报，对隔声罩主体结构的具体形式及所需的粘弹性材料的属性进行优化。
根据优化后的结构及材料参数，进行选型制作，形成原理样机，并安装至实际要降噪的推进电机上，进行实际隔声效果测试，测试结果表明，在所要求的频段内，该隔声装置实现了良好的隔声降噪效果，目前，已经形成了型号产品。
【项目成熟情况】产品已定型。
【应用范围水】下步进电机、空气中机械噪声源。
8.声呐舱室的隔声障板设计
【项目概述】针对水面舰实船声呐舱室噪声治理问题，提出了实船声呐舱声呐障板的设计方案，这种装置可以降低声呐舱混响强度，有效阻隔尾部螺旋桨噪声及舱壁振动噪声向声呐舱室的噪声辐射。通过对声呐障板隔声降噪效果原理研究，建立了声呐平台三维声学有限元仿真计算模型，考虑水面舰艇声呐平台整体结构，针对声呐障板不同形状，不同结构参数，开展了声呐障板优化设计研究。针对水面舰具体空间结构，设计了声呐障板CAD加工图纸，并在哈尔滨工程大学水声工程学院国防科技重点实验室消声水池开展了多种降噪措施的噪声治理效果测试，完成了的试验，分别模拟了螺旋桨噪声、流噪声、机械噪声的单独激励作用和混合激励作用，并对比了该降噪措施对于各激励的降噪效果。试验结果表明：在空舱增设阻尼材料降噪效果并不明显。在水舱增设障板和增设阻尼材料对于机械噪声以及含机械噪声的混合噪声有明显降噪效果，而同时采取这两种降噪措施在指定频段内降噪量最高可达20dB。目前已经实现了声呐平台声呐障板的实船改装。
【项目成熟情况】目前该设备已经实现了实船应用，达到技术成熟度6级。
【应用范围】所形成的声呐平台隔声障板设计方法已经应用于实船，经过设计与改换装，已有两艘开始服役，还有两艘目前正在施工，可见该成果的具有可持续的应用型；这种设计方法还可以应用于需要隔声的弹性结构上，可以根据所需隔声结构的具体形式进行障板设计，将更具有针对性。
二、联系方式
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