海洋信息领域应重视“非线性科学”

本文转自：中国科学报

杨德森

近年来，我国海洋科学和技术已经取得长足进步，特别是在深水、绿色、安全的海洋高新技术领域突破不断，但海洋基础科技创新能力仍有待提高。海洋信息领域重视“非线性科学”作为科学前沿的基础性作用，可以为提高我国海洋科技创新能力打开“一扇窗”。

直观来看，如果一个变量跟随另一个变量成比例地变化，它们之间的关系在坐标系中呈现一条直线，我们就称这两个变量之间的关系为“线性”关系。用“打开水龙头”的过程打个比方，更容易感受什么是“非线性”。我们经常遇到这样的情况，开自来水龙头的时候，刚开始拧了半天也没水，拧到一定程度水突然哗哗地流出来，这便是“非线性”，即水龙头拧开多少和水流多大这两个变量并没有简单地成比例变化。

在科学上，随着人们对现实世界认识和思考的不断深入，孤立波、混沌与分形、自组织与耗散结构以及湍流等现象逐渐打破了人们对世界的“线性”认识，非线性科学逐步兴起。

光学上的“拉曼效应”便是一个典型案例。其本质是一种共振波与波的相互作用，类似光学中的受激拉曼散射现象。基于这一效应设计的拉曼光谱技术已经广泛应用于无损分析领域，分析样品的化学结构、形态、结晶度及分子相互作用等详细信息。“非线性超声检测技术”则是一种新兴的无损检测手段，能够灵活地进行波型转换、调整混频传播方向、调整混合区域，具有抗干扰能力强、检测方法灵活度高的独特优势。

经过长时间的不断发展，如今非线性科学几乎涉及自然科学和社会科学的各个领域，改变着人们对现实世界的传统看法。非线性科学可以为用传统线性科学思维解决不了的问题提供一个新视角。

在我从事的水声学研究中，非线性科学的应用也要得到重视。海洋具有特殊的物理特性，深海之中唯有声音能传播信息，海洋信息领域围绕水下声波开展的一系列水声学研究由此成为近年来科学界关注的热点。声波在水下的传播性能最好，是目前唯一可进行水下远距离信息传播的载体。水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与接收，以解决与水下目标信息获取和传输过程有关的各种问题。

水声学有声场控制能力和声信息获取能力两大任务。其中，声场控制能力任务是要最大限度降低噪声，提高声场控制性能；声信息获取能力任务则要最大限度放大信号，提高信息获取能力。可以说，谁掌握了水下声场调控技术，谁就掌握了水下声场控制能力和声信息获取能力的主动权。因此，利用非线性技术进行水下声场调控成为关键。

在解决船舶减振降噪遇到的难题时，我所在的科研团队就用“非线性”思路开展探索，获得了一系列科学突破。

目前，国际上主要从噪声源和传播途径实施控制入手，但噪声控制仍然是船舶声场控制的核心，也是一道公认的世界难题。对此，科研团队经过十几年研究发现，水下声波受到的气泡等杂质介质的散射是非线性散射，而声场中声波的时空频特性均会因此而发生改变。这意味着，水下声场能够被激发和调控。随后，研究人员通过实验证明，利用非线性声场控制技术可以实现低频噪声调控效果。

同时，研究人员还利用对水下声场的非线性激发和调控机制，获得与传统基阵相比更高的目标信号增益，显著提高了信息获取能力。

总之，这些成果的取得都离不开非线性科学。因此，我们有理由相信，非线性科学将为以水声学为代表的海洋信息领域注入强劲的动力。