中国海洋大学工程学院机电工程系成昊远 水下仿生偏振导航 揭开海洋神秘面纱.pdf

2024 年第 1 期11中国高新科技INNOVATING CHINA|创新中国水下机器人是人类探索和开发海洋必不可少的工具，在安全搜救、管道检查、海洋探测、水下考古及水产养殖等方面具有重要作用。由于工作环境的特殊性，水下机器人需要较长时间的水下潜航和待命，从而对水下导航技术提出了更高的要求。然而，复杂恶劣的水下环境导致水下机器人难以获得精确稳定的位置、航向和速度信息，水下导航定位问题需要新的思路与方式。仿生偏振导航技术是近年来导航领域的研究热点，具有完全自主、误差不随时间累积及实时性较好等特点，被美国等西方发达国家视为导航领域的颠覆性技术。为了使该技术尽快在水下成熟成功、落地见效，越来越多的科研工作者投入这场研发大潮中，攻艰克难、奋发赶超。中国海洋大学工程学院成昊远便是其中的翘楚。肇始：万丈高楼平地起作为一名优秀的科研工作者，成昊远出生于山西吕梁。这里历史悠久、人杰地灵。女皇武则天，诗人宋之问，廉吏于成龙，我党早期领导人贺昌，革命英雄刘胡兰等，都是这片热土的杰出代表。革命战争年代，吕梁更是东征主战场、晋绥边区首府、中央后委所在地，独特的地理环境，孕育了这里的人民坚韧不拔、笃实进取的奋斗精神。毫无疑问，在成昊远的言行中，我们也能看到这种特有的精神特质。2013 年 8 月，成昊远以优异的学习成绩考入中国海洋大学机械设计制造及其自动化专业学习。本科期间，先后获得2014 年中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛一等奖，2014 年山东省大学生机电产品创新设计竞赛一等奖，2014 年山东省机器人大赛一等奖，2016 年第五届全国海洋航行器设计与制作大赛一等奖，2017 年中国海洋大学第五届春华奖学金等荣誉。由于各方面表现优秀，成昊远于 2017 年 9 月被中国海洋大学推免至大连理工大学继续深造（硕博连读），专门从事水下导航定位等高端科研领域研究，于 2022 年 12 月获得机械电子工程博士学位。在此期间，针对水下导航领域的热点难点问题，进行了深入的理论探索和实践研究，特别在水下仿生偏振导航方面取得了显著的科研成果。在“仿复眼集成阵列式微纳偏振导航传感器关键技术研究”、“面向水下环境的仿生偏振导航技术研究”等国家自然科学基金面上项目中贡献良多，先后以第一作者在国际高水平 SCI 期刊发表论文 5 篇，得到了业内的充分肯定和认可。启航：直挂云帆济沧海九曲黄河终入海。2023 年 3 月，应母校的召唤，成昊远回到了阔别 5 年之久的中国海洋大学，成为该校工程学院机中国海洋大学工程学院机电工程系成昊远水下仿生偏振导航 揭开海洋神秘面纱 文杨烁张小雪成昊远，中国海洋大学工程学院机电工程系讲师、师资博士后，师从李华军院士。本科就读于中国海洋大学机械设计制造及其自动化专业，后以优异成绩推免至大连理工大学硕博连读。博士毕业后回到中国海洋大学任职，研究方向包括水下光电探测、水下导航定位、水下机器人等，以第一作者/通讯作者发表高水平 SCI 期刊论文 11 篇。获批国家自然科学基金重大项目（子课题负责人）、山东省博士后创新人才支持计划、国家资助博士后研究人员计划、青岛市博士后项目资助等。兼任 Optics Letters、Optics Express、Optics and Lasers in Engineering、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、Sensors 等 SCI 期刊审稿人。获得山东省科技工作者创新大赛一等奖、最佳创意奖，辽宁省优秀博士毕业生，大连理工大学宝钢优秀学生奖，中国海洋大学第五届春华奖学金等荣誉。承担本科生课程机械设计、水下机器人技术和研究生课程 海洋工程环境 的授课工作。研发的水下仿生偏振导航系统，可为各类水下平台提供广覆盖、强健可靠、便捷好用的导航服务，提升了我国在海洋资源开发与军事领海防卫等方面的综合实力。人物档案 2024 年第 1 期12中国高新科技创新中国|INNOVATING CHINA电工程系的一名教师，师从李华军院士。在看似波澜不惊、却又倍感光荣的研习生涯中，他的目光更加坚毅，方向更加明确。我们相信，在广阔的大海间，他的事业成就必将更加非凡。成昊远目前的科研方向主要包括水下光电探测、水下导航定位和水下机器人。基于良好的学业基础和研发能力，他成功入选 2023 年度山东省博士后创新人才支持计划。该项目依托国家和省重点科研创新平台、特色优势学科和新兴交叉学科、重点科研转化项目设立创新岗位，每年择优遴选一批新近毕业的国内外优秀博士，专项资助创新与研究，加速培养一批高层次创新型青年领军人才。作为一位大学老师，成昊远除了开展科研创新活动，还承担着本科生课程机械设计水下机器人技术和研究生课程海洋工程环境的授课工作，同时兼任 Optics Letters、Optics Express、Optics and Lasers in Engineering、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、Sensors 等 SCI 期 刊 审稿人。和许多同仁相比，他在科研事业上已经先人一步、略胜一筹，但也深深面临着更大的紧迫感和危机感。与西方发达国家相比，我国在水下自主导航领域的技术创新仍然存在较大不足和差距，自己肩负的使命和脚下的科研之路仍然艰险而漫长。奋进：衣带渐宽终不悔在全世界掀起水下仿生偏振导航研究的热潮下，我国由于多方面因素相关技术尚处于前期可行性验证阶段。为彻底解决背后隐含的核心科学问题，真正实现水下偏振导航技术的实践应用，成昊远团队开始了深入的探索。他们研究发现，水下偏振光场在一定条件下是稳定且可预测的，人类完全可以模仿海洋生物利用其中包含的信息进行导航定位。于是，针对水下自主导航能力需求，他们正立项开发一种基于地球偏振光场的水下机器人仿生自主导航定位系统，推动水下偏振导航技术的实现，提高我国水下机器人的生存与作业能力。成昊远已在该领域成果卓著。发表在遥感领域 Top 期刊Remote Sensing 的Study on the Polarization Pattern Induced by Wavy Water Surfaces一文，建立了考虑大气散射、波动水面折射及水下散射的基于斯托克斯矢量和穆勒矩阵的水下偏振传输模型，仿真结果与实测结果的一致性证明了所提模型的正确性。结果表明，水下偏振光场的时空特异性规律是客观存在的，通过测量水下偏振分布模式获取导航信息是可行的。同时，成昊远团队深刻地认识到，光在水中的迅速衰减及照明光的后向散射影响会严重阻碍水下仿生偏振导航技术的发展与推进。为解决该技术难题，他们尝试利用深度学习方法处理包含目标全部光学信息的穆勒矩阵图像，利用神经网络模型增强浑浊水下图像。通过在定量测量和视觉质量方面的比较，证明了在相同条件下本方法的优越性，为实现水下偏振导航信息获取奠定了技术基础。接下来，他们模仿海洋生物感知偏振进行导航的结构和机理，设计并搭建了水下偏振导航信息探测设备，在真实水下环境中获取了偏振导航信息，构建了融合偏振/惯性信息的水下组合导航系统，并进行了水下机器人循迹实验，进一步推进了水下仿生偏振导航技术的实现。相关研究内容已于 SCI 期刊论文The Polarized Light Field Enables Underwater Unmanned Vehicle Bionic Autonomous Navigation and Automatic Control和Bioinspired Underwater Navigation Using Polarization Patterns Within Snells Window中发表。展望：执着求索攀高峰马克思曾说：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”科研的征途中虽然枯燥、烦闷，间或懊恼，更多的却是一种使命、一种欣慰和释怀。成昊远以“海纳百川”的开阔胸怀和“取则行远”的广博视野，笃实好学、积极进取、勇于探索，坚持理论积淀和社会实践相结合，朝着梦想的远方，锲而不舍，奋勇前行。对于水下仿生偏振导航技术的未来前景，成昊远目光深遽，充满了坚毅和自信。他将与更多的业界同仁，以其卓尔不凡的风采和执着的求索，不断喷薄出旺盛的开拓精神和创造力，克服诸多困难，攀上一座又一座科学的高峰。