李启虎


李启虎水声信号处理和声纳设计专家。浙江温州人。1963年毕业于北京大学数学力学系。中国科学院声学研究所研究员,所长。长期从事信号处理理论和声纳设计、研制工作。结合我国浅海声传播的特点,应用信息论、数字信号处理、水声工程等理论,解决了一系列水声信号处理中的问题。研究了自适应波束成形的稳态特性,给出了用频率域最优传输函数求解波束指向性的表达式。给出在海洋噪声背景下检测微弱信号的增益计算方法。解决了在时间上非平稳、在空间上不均匀的噪声场对经典理论应作的修正的问题。提出了指导声纳设计的重要依据-声纳方程的一种新的表达方式。在水下目标的被动检测中提出利用声信号的相位信息估计目标方位的新方法,还提出了用自适应阵处理方法完全分离在空间上不生叠的多个点源信号的新算法。1997年当选为中国科学院院士。

李启虎 - 人物简介

1939.7月出生,水声信号处理和声呐设计专家。1963年毕业于北京大学数学力学系,现任中国科学院院士、中国科学院声学研究所研究员、厦门大学通信工程系教授、博士生导师。李启虎院士长期从事信号处理理论和声纳设计、研制工作。曾任中国科学院声学研究所所长。

李启虎院士结合我国浅海声传播的的特点,创造性地应用信息论、数字信号处理、水声工程等理论,解决了一系列水声信号处理中的问题,为我国海军声纳装备的现代化作出了重要贡献。研究了自适应波束成形的稳态特性,给出了用频率域最优传输函数求解波束指向性的表达式,给出了在海洋噪声背景下检测微弱信号的增益计算方法,解决了在时间上的非平稳、在空间上的不均匀的噪声场对经典理论应作的修正的问题,提出了指导声纳设计的重要依据——声纳方程的一种新的表达方式。

在水下目标的被动检测中提出利用声信号的相位信息估计目标方位的新方法,还提出了用自适应阵处理方法完全分离在空间上不重叠的多个点源信号的新算法。在数字声呐设计中首次提出动态波束成形、可编程数字滤波、变采样率运算、类卡尔曼滤波和灰度变换技术,并提出用聚类分析方法设计用于水下目标识别的简易专家系统,对推动我国数字声纳的发展起到了良好的作用。

1997年当选为中国科学院院士.1984至1986年应美国普林斯顿大学邀请在美国工作近两年。 1976年因参加自适应滤波的研究而获得中国科学院重大科技成果一等奖;1978年因参加001岸用声纳站的研究而获得全国科学大会一等奖;1984年因负责262声纳研制而获得六机部科技进步奖。

发表论文数十篇,其中有:《自适应噪声抵消滤波器抵消能力的研究》、《声纳设计中的计算机模拟技术》、《自适应阵信号分离理论》等。专著有《数字式声纳设计原理》、《声纳信号处理引论》、《计算机图形学》(合作编译)等

2007年4月26日,本刊记者采访了中国科学院院士李启虎研究员。李院士是水声信号处理和声纳设计专家,多年从事信号处理和声纳设计、研制工作,曾任中科院声学研究所所长。在长期科学研究工作中,李院士深深体会到进行科学研究,首先必须要有科学态度,具备了科学态度才能进行研究;其次,科学要求的是真实,科学不能掺假。因为真正的科学的东西是需要实践检验的。

李启虎 - 人生历经

一鼓作气考进北大

李启虎的老家原在温州市区朔门。他小学就读于艺文小学(墨池小学前身),那是一所教会小学。为了顺利进入温州中学,在李启虎念五年级时,颇有远虑的母亲有意将他转学至了师资力量雄厚、升学率较高的温州一小(广场路小学前身)。

一年后,李启虎没有辜负母亲的期望,以优异的成绩考入温州中学。进入中学后,李启虎有幸遇上了多位好老师,如班主任邹益皓、潘芝培。特别是数学老师杨悦礼,对聪明好学的李启虎尤为关心,经常把他带到家里“开小灶”,从而使李启虎对理科产生了浓厚的兴趣。

中学里,李启虎对课外知识涉猎甚广。那时,课外书籍非常匮乏,学生借书不得擅入图书馆,必须通过老师拿取。杨师母恰巧是学校图书馆的馆长,这给李启虎随便借阅图书提供极大的方便。因为有了“特许通行证”,李启虎几乎翻阅遍了学校图书馆里所有感兴趣的书籍,像一棵久旱的小树苗,贪婪地吮吸着知识的甘露。

“那时如果考不上大学,个人境遇会很糟糕,不像现在还可出去找工作,所以即使家长不给我们压力,我们也都很努力。”多年以后忆起往事,李启虎还是记忆犹新。

1956年,党中央发出了“向科学进军”的号召。次年,李启虎高中毕业,积极响应号召,报考了北京大学数学力学系。1959年,北大组建信息论、控制论专业,他调到了这个新专业。

1963年,李启虎从北大毕业后,分配到了中科院电子学研究所第七研究室。师从我国著名科学家、中科院院士汪德昭先生,开始了国防水声学研究之旅。

李启虎为我国水声信号处理和声纳设计做出了卓越贡献。鲜为人知的是,如今蜚声国内外的他,当年竟差一点回温州当了一名普通教师。

1969年,李启虎结婚了,妻子黄小萍在温州机械仪表局工作。婚后,夫妻俩长期分居两地,他萌生了回乡工作的念头。李启虎的哥哥姐姐都在外地工作,母亲也很希望小儿子能回到自己身边。当时,声学研究所由国防科工委领导,属于部队编制,于是他找到温州“军管会”,提出调动工作的要求。那时正逢“文革”,所有单位都在闹革命,要找份合适的工作谈何容易。最后,有关部门费尽周折,终于安排李启虎到瓯海三溪中学任教,也算是照顾。“当年市区距离三溪十多公里,且道路泥泞不好走,即使每天骑车,也不一定吃得消。”听到这一消息,李启虎举棋不定了。

“最终我没回去当老师,还多亏了恩师汪德昭。”李启虎说,当时我打电话与温州联系时,汪先生一直坐在我身边,他极力劝阻我不要回去。粉碎“四人帮”后,声学研究所回到中科院,1977年邓小平同志批示国家有关部门给了中科院400个进京名额。时任声学研究所所长的汪先生,为李启虎争取到一个名额,使得他们夫妻俩终于得以团聚。

李启虎 - 苦中有乐

声学是一门实验科学,很多研究都需进行验证,科研人员为此经常在海上做实验。李启虎从事水声学研究四十多年来,因为工作需要足迹几乎遍布全国各个港口城市,最远抵达西沙群岛。

出海做实验异常辛苦,不管严寒酷暑,不论刮风下雨。一次实验短则几星期,长则几个月,没有固定的上下班时间,还要克服晕船吃不下饭的困难。“每次临出海前,我都会吃晕船药,吃了药后感觉会好一些,但是出海晕船,却是一辈子习惯不了。”

1993年,李启虎出任声学研究所所长。“当所长更多的是一种责任,除了带领搞好科研外,还要做好后勤服务工作。”声学研究所共有800来号人,在青岛、上海、海南等地都设有工作站,队伍庞大,事务琐碎繁杂。就在那时,夫人黄小萍为了支持李启虎的工作,不得不提前退休回家。

李启虎 - 老当益壮

李启虎自2001年从声学研究所所长的位置上退下后,依然忙碌不休。即便是周六、周日李启虎的身影还经常会出现在办公室里。所谓言传身教,李启虎对工作的认真执著,也潜移默化地影响着孩子。如今,他的两个孩子都学有所成,一个从中国科技大学毕业,现在加拿大工作;一个从上海交通大学毕业,现在美国攻读博士。

眼下,李启虎还担任国防系统有关研究项目的专家组组长,并在国内信号处理协会、声学协会以及国外一些会议组织担任职务。另外,他还担任一些科研项目的研究工作。

让李启虎颇为自豪的是,除了国防安全外,声纳在国民经济发展中的用途也日益广泛,沉船探测、水下探宝、水下油气资源勘探、海难救助等都离不开它。“就连奥运会也有发挥水声科学作用的地方。”2008年,在青岛举行的奥运会水上帆板比赛中,按要求必须安装水下反恐声纳探测设备,防止以水下蛙人等形式出现的破坏和恐怖活动。

李启虎 - 献身科学

一、水声科学为水下探测打开了一扇门

水声学顾名思义是研究水特别是海洋中声学的一门学问,也就是研究水中声波的产生、传播、接收和测量等问题及其应用的一门学科。为什么要研究这样的问题?根据1912年英国豪华巨轮泰坦尼克号在首航中撞上冰山而沉没的真实情况拍摄的电影,给人们留下深刻印象。地球是一个大部分表面被海水覆盖的星球,海水占了地球表面积的71%,从宇宙中看地球,是一个蓝色的星球。海水深不可测,海洋中有太多的秘密,如何了解海水下情况?然而由于海水是电的良导体,电磁波、光波在水下传播时会很快地以热的形式耗散掉,所以人们在水下活动时是漆黑一片的世界。而声波是人类所知道的唯一能在海水中远距离传播能量的形式。水中声波的速度依传播介质的性质和状态(如温度、盐度、压力)的不同而不同。人们可以通过设置在水下的声波传感器———被动式声纳探测到潜艇航行时发出的声音,并辨别其所在的方向和距离,也可以用声纳探测鱼群或其他水下发声物体。为了解水下情况,利用声波检测水下信号,识别目标等的水声学、声纳技术就应运而生。事实上,在泰坦尼克号撞上冰山一个月后,英国人理查德逊就向英国专利局提出用水声定位方法测定冰山位置的专利申请,1914年法国科学家朗之万和俄国工程师基洛夫合作,发明了回声定位技术。这可以称得上是水声学、声纳技术的初始阶段。

现代的各种声纳,包括军用和民用的,几乎都是利用在水下的水听器阵列再加以信号处理来探测目标的。例如美国的岸用反潜艇预警体系,就是在沿着美国东西海岸布放上千个水听器来接收信号的。所有的信号被传送至反潜数据处理中心,提取有关目标的信息。声纳在海洋利用和开发,如沉船探测、水下探宝、水下油气资源勘探、海难救助等国民经济和国防安全中均有广泛的用途。在经济建设中的最大应用是在近海寻找石油。水声科学为在海水下寻宝打开了一扇门。

二、科学态度是进行科学研究的前提

众所周知,做任何事情都存在一个态度问题。在科学研究中必须有科学态度,科学的态度就是实事求是的态度。

中国研究水声科学、研究声波信号处理起步比发达国家较晚,美国早期研究的是深海情况,主要研究深海中的声波探测技术。中国是世界最大的沿海国之一。北起鸭绿江口,南到北仑河口,海岸线长达18000多公里;同时,海况又比较特殊,无论是南海、黄海、东海还是渤海,沿岸水深一般不超过200米,大陆架一般宽达几十公里,大都属于浅海领域。仅台湾海峡、南海部分是深海。深海有深海的规律,浅海有浅海的规律,我们不能死搬硬套。我们的研究用国防水声事业奠基人汪德昭院士的话是“由近及远,由浅入深”,即先开展近海、浅海的水声特征的研究,而后再研究远海、深海的水声特征。具体情况具体分析,实事求是地进行科学实验。实践证明,汪德昭院士提出的这个指导思想是行之有效的。几十年来,在他的指导下,我国许多浅海声场研究在国际上处于领先地位。

自1996年开始,我国将海洋领域纳入国家863计划,积极推动海洋监测高技术的发展,其中,水声监测技术取得了巨大进展。我曾经在国家863计划海洋领域工作了8年。

三、科学不能有掺假

科学就是科学,科学不能掺假,也不能无中生有,不能你声称研究取得了什么成果就让别人承认你,那是不行的,必须有实验证明。科学尊重实践。自然科学的实践就是科学实验,在同等条件下,别人也能做得出来。

科学不仅尊重实践,而且要经历实践检验,真正科学的东西是需要实践来检验的,任何一门学科都是这样。

我们研究声纳,研究的目的是为国民经济发展、为国防安全服务。这是一门实验科学,很多研究都需要进行验证,我们就经常在海上做实验。水下新发现是靠科学实验证明,水下有油气田,也得找得出来才能算。

2008年,我国将举办奥运会,这可是我国人民的一件大事,也是世界人民的一件大事。奥运会也有发挥我们水声科学的地方,比如,在青岛举行的水上帆板比赛运动,就要安装水下反恐声纳探测设备,防止以水下蛙人等形式出现的破坏和恐怖活动。

李启虎 - 最新研究

第一届水声测量国际会议(UAM)在希腊举行,中国科学院院士、声学所研究员李启虎应邀出席会议,并作了题为《海洋监测中的水声技术》的报告。报告中,李启虎阐述了水声测量技术在海洋监测中的重要作用,并介绍了我国“863”计划海洋领域在水声监测技术方面的研究成果,引起了各国专家学者的极大兴趣和关注。  

李启虎首先在报告中指出了水声测量技术在海洋监测中的重要性。李启虎说,海洋监测是海洋开发和利用中的重要任务之一。它包括海洋环境保护、海洋灾害预警、国家安全和海洋资源开发。海洋监测的主要手段建立在力学、电磁学、化学、声学、光学等研究领域的基础上,而由于声波是人类目前所知惟一能在海水中远距离传播的媒介,海洋里声波信号随距离的衰减比光波和电磁波要小得多,因而水声技术在海洋环境监测中,尤其是海体和海底的监测中起到了至关重要的作用。

科技部自1996年开始,将海洋领域纳入“863”计划,积极推动海洋监测的高技术发展,其中,水声监测技术取得了巨大进展。报告中,李启虎向国际同行介绍了这些成果。一是多功能声学多普勒海流剖面仪(MADCP)技术。海流剖面是海洋开发活动中要考虑的一个重要参数。传统的声学多普勒海流剖面仪(ADCP)只能够给出几百米深度的海流剖面。而现在,有了MADCP,除了海流剖面,还能检测出悬浮物质。这种设备是非常“中国特色”的——中国的海水通常比较浑浊、泥沙多,悬浮物质的检测在海洋监测中非常必需,所以,MADCP的出现和应用意义重大。二是声相关海流剖面仪(ACCP)技术。工作深度是传统的ADCP的局限所在,它很难在460米以上的深度下工作。现在,运用ACCP测海流,比ADCP能达到的测量深度要深得多,测量深度可以超过3000米。ACCP仪器的体积较小,在军事上具有很好的应用前景。目前,掌握ACCP技术的只有中国和美国,中国已于两年前完成了ACCP的原型构建。三是合成孔径声呐(SAS)技术。它是海洋工程领域中的一大技术创新。SAS技术是一种高分辨率的海底图像声呐,可以用于海底地貌、地形的探测。目前,中国、美国和西欧的一些国家都在进行SAS的研究。

李启虎在报告中还介绍了水声技术在军事海洋学方面的应用。包括水下目标识别、水下通讯、海洋监视和反潜艇作战等军事方面。事实上,上世纪50年代以来,由于出现了可以长期在水下潜航的核潜艇,特别是低噪声的隐形潜艇的投入使用,各海洋大国对声呐的研究都给予了特别的关注。而在美国“9.11”事件后,水声技术在保护国家安全方面的作用更加被全世界重视,其军事作用主要表现在海港保卫、不明水下交通物监测、网络中心作战等方面。

在水声技术方面,已把遥感、遥测等技术集成为有一定规模的海洋监测网。目前,国内有两个这样的监测网。一个建在上海,是由科技部与上海市联合建立的上海市(长江口区)海洋监测示范区(由国家海洋技术中心和东海分局等单位实施);另一个是由科技部与香港特别行政区共同出资建设的珠江水域环境污染监测系统(由中山大学和香港科技大学等单位实施)。而由科技部和福建省联合投资的台湾海峡及其毗邻海域海上动力参数立体监测系统也将投入使用。另外,除了国内的研究项目,我国的声学研究组织还在进行着一些水声技术的国际合作项目,如海洋气候中的水声测温(ATOC)、亚洲海国际水声试验(ASIAEX)。

在本次UAM会议上,除李启虎外,与会的中国科学家还有张仁和院士和朱厚卿研究员。两位专家也应邀作了分会特邀报告,分别介绍了浅海声传播和高频超声治疗癌症方面的研究成果。3位中国科学家的报告向国际声学界展示了中国在水声测量技术等方面的巨大成果。

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