水下科學(xué)筑夢(mèng)人
——記東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授陶俊

□ 武光磊

2012年6月24日，這是注定要被寫(xiě)入中國(guó)載人深潛歷史的一天。這天，伴著太平洋海面的波濤洶涌，我國(guó)首臺(tái)載人深潛器“蛟龍?zhí)枴闭鲋顫?000米海試第四次下潛前的“熱身”準(zhǔn)備。與海浪一同翻滾的還有無(wú)數(shù)海試隊(duì)員們的心，誰(shuí)也不知道下潛過(guò)程中會(huì)發(fā)生什么，結(jié)果又會(huì)是如何。

時(shí)間一分一秒地過(guò)去，終于到了下潛的關(guān)鍵時(shí)刻。通過(guò)水聲通信機(jī)，“蛟龍?zhí)枴笔紫扰c母船“向陽(yáng)紅09”建立了穩(wěn)定的通信聯(lián)系，各種相關(guān)數(shù)據(jù)也隨之不斷地傳到指揮室中。隨后，當(dāng)“蛟龍?zhí)枴睗撝?020米，試航員又成功使用通信機(jī)的水聲電話(huà)功能向指揮室報(bào)告深潛突破7000米的那一刻，整個(gè)指揮室“沸騰”了?！膀札?zhí)枴眲?chuàng)造了我國(guó)載人深潛的新紀(jì)錄，并在后續(xù)作業(yè)中多次傳回清晰的圖像數(shù)據(jù)。而在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的仍然是“蛟龍?zhí)枴鄙洗钶d的水聲通信機(jī)。

在萬(wàn)里之外的大洋彼岸，有一位與水聲通信結(jié)緣十幾年之久的科研人員同樣目不轉(zhuǎn)睛地關(guān)注著電視上正在直播的“蛟龍?zhí)枴毕聺摦?huà)面，直到數(shù)據(jù)傳輸成功，他心里的一塊石頭才終于落地。他就是東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授陶俊，十幾年來(lái)，他始終扎根于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里，尤其在水聲通信研究領(lǐng)域做出了多項(xiàng)突出貢獻(xiàn)。對(duì)他來(lái)說(shuō)，能夠使水聲通信技術(shù)成功得到應(yīng)用，就是身為一個(gè)水聲通信研究者最大的價(jià)值所在。

2017年陶俊在南通通州灣水聲通信試驗(yàn)場(chǎng)

探尋通信之謎

水聲通信，顧名思義就是將聲波作為載體，在水下進(jìn)行信息傳輸?shù)囊豁?xiàng)技術(shù)，是當(dāng)前海洋軍事與民用中最為重要和關(guān)鍵的技術(shù)之一。即便是在陸地上，通信也會(huì)存在各種不便之處，在水下更是異常困難，這主要是由于水聲傳播信道的時(shí)變多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、可用頻帶窄、信號(hào)衰減嚴(yán)重等原因造成的，特別是在長(zhǎng)距離傳輸中這些“小缺點(diǎn)”更會(huì)被放大。

為了克服這些缺點(diǎn)，陶俊從2007年年底便開(kāi)始從事水聲通信研究。當(dāng)時(shí)他還在美國(guó)密蘇里大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系攻讀博士，起初研究方向主要偏重?zé)o線(xiàn)電通信，后來(lái)在導(dǎo)師的建議下，他才與水聲通信結(jié)緣，并對(duì)其產(chǎn)生了極大的研究興趣?！盁o(wú)線(xiàn)電通信有時(shí)是一種看不見(jiàn)摸不著的技術(shù)，而水聲通信都是在一定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，不再給我一種紙上談兵的感覺(jué)?！碧湛”硎?。有了興趣的支撐，陶俊在Turbo均衡及其在水聲通信中的應(yīng)用方面逐漸形成了自己的研究特色，同時(shí)也形成了一定的國(guó)際影響力。他于2011年受邀在美國(guó)海軍內(nèi)刊U.S.Navy Journal of Underwater Acoustic上發(fā)表了水聲通信迭代檢測(cè)相關(guān)文章。

可博士畢業(yè)后，陶俊剛剛打開(kāi)的興趣大門(mén)就被暫時(shí)關(guān)閉了。2011年年底，他加入美國(guó)高通（Q u a l c o m m）公司任高級(jí)系統(tǒng)工程師，從事U M T S/L T E 基帶芯片的研發(fā)工作，期間鑒于在T r a h i r a U M T S M o d e m研發(fā)中做出的突出貢獻(xiàn)，獲得高通公司Qualcomm Qualstar Diamond Award。盡管在工業(yè)界發(fā)展順利，但陶俊心中始終有一股“科研情結(jié)”，工作期間他也一直在思考科研對(duì)自己的意義。

隨著時(shí)間的推移，他發(fā)現(xiàn)自己還是割舍不掉對(duì)科學(xué)的情感，為此，在美國(guó)高通公司工作一段時(shí)間后，他開(kāi)始重拾科研。在一點(diǎn)點(diǎn)找回對(duì)科研熟悉感的過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了新的研究角度。“我發(fā)現(xiàn)自己先前在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里積累的經(jīng)驗(yàn)可以引入到水聲通信研究中?！奔由纤究萍按T士期間的母?！獤|南大學(xué)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里一直都是國(guó)內(nèi)的“佼佼者”，陶俊產(chǎn)生了回國(guó)的想法。為了重新延續(xù)與水聲通信的緣分，2016年，陶俊來(lái)到東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院任職，繼續(xù)探尋水聲通信的秘密。

聆聽(tīng)深海之聲

回國(guó)后，陶俊仿佛找到了科學(xué)歸屬感，國(guó)家對(duì)通信領(lǐng)域的扶持與投入不斷加大，他直言自己趕上了研究水聲通信的好時(shí)機(jī)。

2017年，他在有關(guān)預(yù)編碼OFDM水聲通信的工作上取得了較大進(jìn)展，成果發(fā)表在海洋領(lǐng)域知名期刊IEEE Journal of Oceanic Engineering上，被IEEE海洋工程協(xié)會(huì)（OES）官方報(bào)道，并多次被列為該期刊月最受歡迎文章前兩名（每月列出該期刊創(chuàng)刊40多年來(lái)所有發(fā)表文章的前50名）。

而在水聲通信稀疏自適應(yīng)均衡技術(shù)上，陶俊基于比例調(diào)節(jié)思想，研究了IPNLMS稀疏自適應(yīng)Turbo均衡，通過(guò)了S P A C E08試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，結(jié)果表明其顯示了優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)N L M S自適應(yīng)均衡的性能，成果發(fā)表在IEEE Journal of Oceanic Engineering上。同時(shí)，他在基于稀疏范數(shù)正則化自適應(yīng)均衡方面，研究了基于L1范數(shù)正則化的SZA-NLMS稀疏自適應(yīng)均衡。此外，一直以來(lái)，陶俊在基于信道估計(jì)的均衡方面都有廣泛研究，積累了豐富的水聲通信外場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

在提高自身知識(shí)技能的同時(shí)，我國(guó)水下無(wú)人平臺(tái)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息技術(shù)也在飛速發(fā)展，想要跟上技術(shù)的發(fā)展腳步，就要在科研上更加不遺余力。為了滿(mǎn)足國(guó)家在海洋探測(cè)上對(duì)高速可靠移動(dòng)水聲通信提出的迫切需求，陶俊又有了新的研究計(jì)劃，他決定從2019年開(kāi)始采用單載波技術(shù)，研究其在高速率移動(dòng)傳輸條件下的均衡問(wèn)題。

目前，他對(duì)整個(gè)研究過(guò)程已經(jīng)有了詳細(xì)的規(guī)劃。一方面，他意識(shí)到當(dāng)前在水聲通信領(lǐng)域里，普遍對(duì)水聲信道均衡器稀疏特性還缺乏系統(tǒng)與全面的認(rèn)識(shí)，為此他提出要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)稀疏系統(tǒng)FIR逆系統(tǒng)的稀疏性進(jìn)行分析，了解FIR均衡器的稀疏特性。另一方面，面對(duì)水聲通信要求的不斷提高，陶俊打算找到針對(duì)傳統(tǒng)單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)所面臨的性能和復(fù)雜度問(wèn)題的突破口。其一，他決定首先將結(jié)合比例調(diào)節(jié)與稀疏范數(shù)正則化的稀疏自適應(yīng)算法應(yīng)用于均衡，以提高收斂速度和性能，同時(shí)他還計(jì)劃結(jié)合部分系數(shù)調(diào)節(jié)算法，以便降低均衡復(fù)雜度；其二，陶俊打算將動(dòng)態(tài)壓縮感知技術(shù)用于自適應(yīng)均衡，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)均衡器稀疏結(jié)構(gòu)和系數(shù)值的同步跟蹤，這樣一來(lái)，他預(yù)計(jì)既可以提高性能還可以節(jié)省計(jì)算量，可謂一舉兩得。

與此同時(shí)，陶俊還發(fā)現(xiàn)，基于信道估計(jì)的單載波均衡技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多不足，為此，他基于稀疏自適應(yīng)信道估計(jì)，提出應(yīng)用卡爾曼均衡技術(shù)。他表示，這樣能夠有效利用信道估計(jì)與跟蹤信息，避免均衡器系數(shù)求解，并進(jìn)一步借助快速算法達(dá)到實(shí)用化要求。對(duì)于自適應(yīng)信道估計(jì)與跟蹤，陶俊推陳出新，計(jì)劃基于稀疏卡爾曼濾波技術(shù)來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的研究。雖然結(jié)果還未見(jiàn)分曉，但陶俊已信心滿(mǎn)滿(mǎn)，蓄勢(shì)待發(fā)。

傳遞水聲之魅

寶劍鋒從磨礪出。陶俊在觀看《大國(guó)工匠》這一節(jié)目時(shí)，感受頗深。他發(fā)現(xiàn)也許每個(gè)人接受的文化不同、年齡有別，但都有一個(gè)共同的閃光點(diǎn)，那就是對(duì)自己所從事工作的熱愛(ài)。節(jié)目中，有人能在如牛皮紙薄的鋼板上輕松焊接而不出現(xiàn)一絲紕漏，有人能把密封精度控制在頭發(fā)絲的1/50，還有人的檢測(cè)手感堪比X光般精準(zhǔn)……這些無(wú)一不令陶俊深深嘆服。他認(rèn)為水聲通信領(lǐng)域同樣如此，只要找準(zhǔn)方向，憑借傳承與鉆研，必定能夠匠心筑夢(mèng)。為此，多年來(lái)，他甘為人梯，為莘莘學(xué)子傳遞著水聲通信的魅力。

在培育學(xué)生的過(guò)程中，他會(huì)幫助每一位學(xué)生找到適合自己的研究方向，讓他們少走彎路?！拔以趯W(xué)生時(shí)代因條件受限，多數(shù)時(shí)候只能靠自己摸索?！碧湛o(wú)奈地說(shuō)道。因此，他會(huì)分析學(xué)生的興趣所在，在興趣的前提下選擇最合適他們的研究方向。

此外，陶俊時(shí)常強(qiáng)調(diào)科研中堅(jiān)持的重要性。他表示，科研是一段艱苦且極其漫長(zhǎng)的歷程，很多學(xué)生在這段過(guò)程中叫苦連天，甚至有時(shí)還想半途而廢，陶俊便時(shí)不時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生堅(jiān)定地走下去，也許過(guò)程坎坷，但終點(diǎn)一定是絢麗多彩。他還鼓勵(lì)學(xué)生多“走出去”，飛到更廣闊的天地。他也在與學(xué)生參加國(guó)際會(huì)議、與國(guó)內(nèi)同行進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的過(guò)程中，了解了很多有關(guān)水聲通信的前沿新知。

巨大的建筑，都是由一木一石累積起來(lái)的，陶俊在水聲通信領(lǐng)域里做出的多項(xiàng)突出貢獻(xiàn)，同樣是用一點(diǎn)一滴的堅(jiān)持與付出換來(lái)的。未來(lái)，他仍會(huì)鼓足干勁，在布滿(mǎn)荊棘的地方開(kāi)辟出一條通向水下的信息之路。