近年來(lái)，我國(guó)海洋科學(xué)和技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是在深水、綠色、安全的海洋高新技術(shù)領(lǐng)域突破不斷，但海洋基礎(chǔ)科技創(chuàng)新能力仍有待提高。海洋信息領(lǐng)域重視“非線性科學(xué)”作為科學(xué)前沿的基礎(chǔ)性作用，可以為提高我國(guó)海洋科技創(chuàng)新能力打開“一扇窗”。
直觀來(lái)看，如果一個(gè)變量跟隨另一個(gè)變量成比例地變化，它們之間的關(guān)系在坐標(biāo)系中呈現(xiàn)一條直線，我們就稱這兩個(gè)變量之間的關(guān)系為“線性”關(guān)系。用“打開水龍頭”的過(guò)程打個(gè)比方，更容易感受什么是“非線性”。我們經(jīng)常遇到這樣的情況，開自來(lái)水龍頭的時(shí)候，剛開始擰了半天也沒水，擰到一定程度水突然嘩嘩地流出來(lái)，這便是“非線性”，即水龍頭擰開多少和水流多大這兩個(gè)變量并沒有簡(jiǎn)單地成比例變化。
在科學(xué)上，隨著人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界認(rèn)識(shí)和思考的不斷深入，孤立波、混沌與分形、自組織與耗散結(jié)構(gòu)以及湍流等現(xiàn)象逐漸打破了人們對(duì)世界的“線性”認(rèn)識(shí)，非線性科學(xué)逐步興起。
光學(xué)上的“拉曼效應(yīng)”便是一個(gè)典型案例。其本質(zhì)是一種共振波與波的相互作用，類似光學(xué)中的受激拉曼散射現(xiàn)象?；谶@一效應(yīng)設(shè)計(jì)的拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)損分析領(lǐng)域，分析樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用等詳細(xì)信息。“非線性超聲檢測(cè)技術(shù)”則是一種新興的無(wú)損檢測(cè)手段，能夠靈活地進(jìn)行波型轉(zhuǎn)換、調(diào)整混頻傳播方向、調(diào)整混合區(qū)域，具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)方法靈活度高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不斷發(fā)展，如今非線性科學(xué)幾乎涉及自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，改變著人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的傳統(tǒng)看法。非線性科學(xué)可以為用傳統(tǒng)線性科學(xué)思維解決不了的問(wèn)題提供一個(gè)新視角。
在我從事的水聲學(xué)研究中，非線性科學(xué)的應(yīng)用也要得到重視。海洋具有特殊的物理特性，深海之中唯有聲音能傳播信息，海洋信息領(lǐng)域圍繞水下聲波開展的一系列水聲學(xué)研究由此成為近年來(lái)科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。聲波在水下的傳播性能最好，是目前唯一可進(jìn)行水下遠(yuǎn)距離信息傳播的載體。水聲學(xué)主要研究聲波在水下的輻射、傳播與接收，以解決與水下目標(biāo)信息獲取和傳輸過(guò)程有關(guān)的各種問(wèn)題。
水聲學(xué)有聲場(chǎng)控制能力和聲信息獲取能力兩大任務(wù)。其中，聲場(chǎng)控制能力任務(wù)是要最大限度降低噪聲，提高聲場(chǎng)控制性能；聲信息獲取能力任務(wù)則要最大限度放大信號(hào)，提高信息獲取能力。可以說(shuō)，誰(shuí)掌握了水下聲場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，誰(shuí)就掌握了水下聲場(chǎng)控制能力和聲信息獲取能力的主動(dòng)權(quán)。因此，利用非線性技術(shù)進(jìn)行水下聲場(chǎng)調(diào)控成為關(guān)鍵。
在解決船舶減振降噪遇到的難題時(shí)，我所在的科研團(tuán)隊(duì)就用“非線性”思路開展探索，獲得了一系列科學(xué)突破。
目前，國(guó)際上主要從噪聲源和傳播途徑實(shí)施控制入手，但噪聲控制仍然是船舶聲場(chǎng)控制的核心，也是一道公認(rèn)的世界難題。對(duì)此，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十幾年研究發(fā)現(xiàn)，水下聲波受到的氣泡等雜質(zhì)介質(zhì)的散射是非線性散射，而聲場(chǎng)中聲波的時(shí)空頻特性均會(huì)因此而發(fā)生改變。這意味著，水下聲場(chǎng)能夠被激發(fā)和調(diào)控。隨后，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，利用非線性聲場(chǎng)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低頻噪聲調(diào)控效果。
同時(shí)，研究人員還利用對(duì)水下聲場(chǎng)的非線性激發(fā)和調(diào)控機(jī)制，獲得與傳統(tǒng)基陣相比更高的目標(biāo)信號(hào)增益，顯著提高了信息獲取能力。
總之，這些成果的取得都離不開非線性科學(xué)。因此，我們有理由相信，非線性科學(xué)將為以水聲學(xué)為代表的海洋信息領(lǐng)域注入強(qiáng)勁的動(dòng)力。
來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
