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中国科协第五届青年人才托举工程被托举人——马璐,长期从事水声通信与组网技术研究。现为哈尔滨工程大学教授,任黑龙江省海洋信息技术重点实验室副主任、IEEE海洋工程女性促进协会委员、多个国内外期刊编委。2016年博士毕业于哈尔滨工程大学,后留校任教。
自托举以来,她主持了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、山东省重点研发计划课题、基础研究项目课题、设备研制等11项国家、省部级科研项目;参与了2项重大专项、2项基础科研重点项目、2项预研项目等。被托举人长期从事水声通信与组网算法与实验研究,以第一或通讯作者发表SCI论文22篇,其中JCR一区论文10篇。授权发明专利34项,转化3项。此外,被托举人长期致力于水声通信技术研究及相关装备研发工作,获得了2022年黑龙江省青年科技奖。形成的多项创新成果先后获得省部级及学会一等奖4项、二等奖2项、三等奖2项。
我是来自哈尔滨工程大学的马璐,2019年经中国声学学会评审推荐,我非常荣幸入选了中国科协第五届青年人才托举工程。在中国声学学会及托举导师团的支持下,我围绕水声通信与组网中的技术难题展开了系统的研究。在发展海洋经济、推进建设海洋强国的背景下,水声通信组网是构建我国“陆海空天”一体化信息网络中的必要一环。由于该技术的特殊性,高性能水声通信设备的研发应用需依靠我国自主创新解决。然而,水声通信的性能严重受制于复杂多变的水下环境。声线弯曲、海面/海底界面反射、风浪等引起了水声信道的“时变多径效应”;声速低、信号不同频率成分多普勒频偏差异大引起了水声信道的“宽带多普勒效应”;高频声吸收大、宽带换能器声电转换效率低导致了水声信道的“频谱资源匮乏”。
针对上述水声通信领域中的三项关键问题,我由“点对点通信”扩展到“多点组网通信”,分别在水声OFDM信道估计、多普勒补偿以及多用户资源分配三方面开展了创新工作,实现了军民领域多项典型应用。首先,针对水声信道中显著的时变多径效应问题,构建信道结构变化的“非一致稀疏支撑集”模型,提出联合信道预测与时序多重稀疏贝叶斯学习的水声信道估计方法,通过预测信道路径增益、初始时延、多普勒因子的变化,构建多观测向量以提高水声时变稀疏信道估计性能。其次,针对水声通信中特有的非一致多普勒补偿难题,提出网格失配下基于二阶泰勒近似的水声非一致多普勒高效频域补偿方法,并建立了多载波信号在残余多普勒下的信干比和误码率闭合解析表达式,为水声多载波通信提供了有效的性能评价方法。第三,针对水声信道的复杂多变性和频谱资源匮乏性,提出基于深度神经网络的时频域联合水声信道状态信息预测方法,以及基于叠加编码的时频非正交多用户资源分配方法,实现了弱信道感知下的高谱效水声OFDM多用户通信。
上述成果的典型应用之一是全海深AUV高速水声通信。在项目支持下,研制了装备于“悟空号”无人潜水器的全海深双向高速水声通信系统。基于水声OFDM技术的突破,实现了马里亚纳海沟万米海深大斜距高速通信,15km通信距离下,通信速率2kbps,数据包准确率98.55%。第二个典型应用是超高速水声视频通信。在项目支持下,研制了基于MIMO-OFDM技术的超高速水声视频通信系统。于2021年5月开展了湖上实验,以实时处理方式,实现了水下通信距离770米、通信速率77 kbps的超高速水下视频传输,指标优于国外的Kongsberg水声视频通信机。第三个典型应用是水声定向通信组网。在项目支持下,研制了基于多模态定向声发射与矢量定向接收的水声OFDM空分复用通信网络。于2021年5月开展了9个节点的水声通信组网湖上实验,物理层通信速率1.5kbps,网络稳定运行15天以上。基于水声通信组网技术实时获取了约30立方公里水域的温度、深度数据变化。