劉榮+楊進(jìn)平

有人說(shuō)，做一件事不難，難的是幾十年只做一件事。也有人說(shuō)，在“快餐文化”蔚然成風(fēng)的今天，人人都在“搶”時(shí)間“搶”金錢(qián)，已經(jīng)很少有人會(huì)為了一件事耗費(fèi)幾十年的耐心和等待。即便有，那也是極少數(shù)的“傻子”。因?yàn)?，誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)等待我們的是成功還是失敗。

北京師范大學(xué)教授劉大禾與布里淵散射研究相伴走過(guò)了近二十年，他不介意做人們口中的“傻子”。對(duì)他而言，名利、金錢(qián)都是浮云，若能換來(lái)真正有價(jià)值的成果，別說(shuō)二十年，更多時(shí)間也義不容辭。

在劉大禾的世界里，時(shí)間仿佛被放慢了，像一個(gè)個(gè)慢鏡頭，溫柔細(xì)膩地記錄著他與布里淵散射研究的每一幀畫(huà)面。這些畫(huà)面被打上了柔光，讓人恍惚以為他不是在做一項(xiàng)科學(xué)研究，而是在精雕細(xì)琢，打磨一件藝術(shù)品。

只是因?yàn)樵谌巳褐卸嗫戳四阋谎?/p>

所謂布里淵散射，是法國(guó)物理學(xué)家布里淵于1922年提出的，一個(gè)可以研究氣體、液體和固體中聲學(xué)振動(dòng)的物理概念。

為了便于理解，劉大禾做了通俗的解釋?zhuān)骸熬w中含有很多原子或離子，它們總是處于振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)產(chǎn)生波，引起的效應(yīng)就是布里淵散射。以一杯水為例，水面某個(gè)點(diǎn)的折射率會(huì)隨溫度和壓力的變化而改變，這種漲落向四周傳播即形成聲波。波有一個(gè)個(gè)波陣面，猶如一面面運(yùn)動(dòng)的鏡子，光照射到這些‘鏡子上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，使反射光頻率發(fā)生改變，于是人們測(cè)到的散射光和實(shí)際入射光之間產(chǎn)生了頻移，這就是布里淵散射?！?/p>

劉大禾與布里淵散射研究的關(guān)系，用一種浪漫擬人的手法描述的話，就如一句歌詞所唱—“只是因?yàn)樵谌巳褐卸嗫戳四阋谎邸薄?/p>

1994年之前，劉大禾的心思主要在光學(xué)全息和信息光學(xué)研究上。1986年至1990年間，他在國(guó)內(nèi)從事光學(xué)全息物理基礎(chǔ)研究。1991年在美國(guó)Aerometrics公司激光實(shí)驗(yàn)室，他從事了一段時(shí)間的激光雷達(dá)研究工作。此后，他又被公派到加拿大Laval大學(xué)光學(xué)中心，依然從事光學(xué)信息處理研究。

今天，布里淵散射在激光雷達(dá)中得以應(yīng)用。所以回頭去看，1991年的激光雷達(dá)研究，似乎冥冥中為劉大禾日后的布里淵散射研究偷偷埋下了伏筆。

一切的改變都源于1994年。這一年，劉大禾的導(dǎo)師承擔(dān)了幾個(gè)研究項(xiàng)目，布里淵散射是其中之一。劉大禾當(dāng)時(shí)并不負(fù)責(zé)這項(xiàng)課題，只是看到同伴們遇到困難繼而出手相助。然而，就是這一次偶然的幫忙之舉，讓他與布里淵散射結(jié)下了不解之緣。于是，劉大禾正式踏上了布里淵散射研究之路。

此后，劉大禾全方位深入到了課題研究中，甫一出手，僅花費(fèi)5萬(wàn)人民幣就攻克了在美國(guó)需要10萬(wàn)美元、在俄羅斯需要5萬(wàn)美元才能突破的一個(gè)項(xiàng)目所需的關(guān)鍵難題，令導(dǎo)師大為驚喜。

劉大禾這種以較少經(jīng)費(fèi)完成較難課題的“特技”或許就是在這個(gè)時(shí)期形成的。直到今天，他依然擅長(zhǎng)處理這種“以小見(jiàn)大”的課題，并對(duì)此樂(lè)此不疲。用他的話說(shuō)：“沒(méi)錢(qián)才能逼你必須創(chuàng)新”。

把握每個(gè)瞬間，讓夢(mèng)想慢慢實(shí)現(xiàn)

歌手田震唱過(guò)一首歌，里面有句歌詞是這樣的—“把握每個(gè)瞬間，讓夢(mèng)想在一分一秒中慢慢實(shí)現(xiàn)?！眲⒋蠛痰目蒲腥松?，倒是與此歌詞有異曲同工之處。

該出手時(shí)就出手

在美國(guó)工作期間，劉大禾聽(tīng)聞國(guó)家863計(jì)劃將涉及海洋領(lǐng)域。這個(gè)消息令他心動(dòng)不已。“我國(guó)海洋資源豐富，若能得到863計(jì)劃的支持，回國(guó)開(kāi)展研究，很多想法肯定能得到很好的實(shí)施。”對(duì)于這樣一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，科研嗅覺(jué)靈敏的劉大禾怎么可能放過(guò)。于是1996年，他回了一次國(guó)，為自己的研究做了前期“宣傳”。

劉大禾之所以如此積極，除了因?yàn)槟芑氐阶鎳?guó)懷抱，解除思鄉(xiāng)之情外，更重要的是，他當(dāng)時(shí)的研究重點(diǎn)針對(duì)的是水中的布里淵散射，堅(jiān)信將布里淵散射用于海洋監(jiān)測(cè)，潛力巨大。

布里淵散射的光譜特性與多個(gè)海洋參數(shù)有著直接聯(lián)系，劉大禾的大膽構(gòu)想，是將布里淵散射應(yīng)用到新型激光雷達(dá)的研制中，一旦作出成績(jī)，必然能使我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)事業(yè)的發(fā)展更上一層臺(tái)階。

這種構(gòu)想并非空穴來(lái)風(fēng)。一方面，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)通常是在不同位置及深度布置大量浮標(biāo)，數(shù)月之后回收這些浮標(biāo)從而進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理和分析。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：首先，無(wú)法獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有時(shí)還會(huì)因?yàn)槠渌驅(qū)е虏糠指?biāo)丟失，采集不到完整測(cè)量數(shù)據(jù);其次，大量浮標(biāo)的投放背后，是高昂的成本支出。再加上浮標(biāo)探測(cè)屬于接觸式探測(cè)，如果遇到惡劣環(huán)境，則會(huì)受到嚴(yán)重影響甚至無(wú)法完成探測(cè)任務(wù)。

曾有人提議可以使用微波雷達(dá)。誠(chéng)然，微波雷達(dá)確實(shí)能夠?qū)Ｃ孢M(jìn)行監(jiān)測(cè)，但到了水下，卻也只能哀嘆“江郎才盡”。

另一方面，盡管作為一種新型的海洋監(jiān)測(cè)工具，水上水下“通殺”的激光雷達(dá)被賦予眾望。但在劉大禾看來(lái)，目前的激光雷達(dá)采用幅度探測(cè)法的居多，也就是通過(guò)探測(cè)回波信號(hào)幅度的變化獲取相關(guān)信息。這種方法往往只能探測(cè)到一個(gè)海洋參數(shù)，在很大程度上限制了激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍。而在探測(cè)目標(biāo)方面，這種方法也使得激光雷達(dá)的功力大大減弱，尤其是遇到隱身目標(biāo)時(shí)，則束手無(wú)策。

“提出一種新的激光雷達(dá)原理，發(fā)展相應(yīng)的新技術(shù)，是非常有必要且有意義的探索。”劉大禾認(rèn)為，布里淵散射就是不二選擇。

越想越覺(jué)得前景光明。劉大禾干脆鼓起勇氣將海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的構(gòu)想寫(xiě)成材料，向中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家海洋局的有關(guān)專(zhuān)家反復(fù)介紹。經(jīng)過(guò)一輪又一輪嚴(yán)格的答辯和審核，最終，這個(gè)極具潛力和吸引力的計(jì)劃征服了863專(zhuān)家組。

越挫越勇，我永不退縮

1998年6月，劉大禾帶著異國(guó)導(dǎo)師的鼓勵(lì)和支持回國(guó)，2個(gè)月后，他的863計(jì)劃課題“海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的激光布里淵散射方法研究”正式立項(xiàng)。短暫的激動(dòng)與喜悅之后，他很快冷靜下來(lái)，開(kāi)始客觀專(zhuān)業(yè)地分析課題。

雖然劉大禾有四年的布里淵散射研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和了解已經(jīng)很深入，但此前的工作都是以美國(guó)的條件和環(huán)境為背景基礎(chǔ)。現(xiàn)在要在中國(guó)開(kāi)展工作，首要任務(wù)是要結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，進(jìn)行本土化處理，分析項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)施行的可行性，避免“水土不服”。這對(duì)劉大禾來(lái)說(shuō)，難度不是很大。

讓他比較尷尬的是研究經(jīng)費(fèi)非常有限。據(jù)他透露，按照當(dāng)時(shí)我國(guó)對(duì)科研項(xiàng)目資金支持的相關(guān)規(guī)定，國(guó)家863項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)大約40萬(wàn)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目也僅有十幾萬(wàn)。對(duì)“海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的激光布里淵散射方法研究”這樣的大型項(xiàng)目而言，顯然杯水車(chē)薪。不過(guò)，這對(duì)擅長(zhǎng)“以小博大”的劉大禾來(lái)說(shuō)，也不是特別難克服的問(wèn)題。相反，他倒是很樂(lè)觀地說(shuō)：“那就‘窮課題‘窮做咯！先從理論和技術(shù)基礎(chǔ)做起。”

真正讓劉大禾感覺(jué)力不從心的是研究所需設(shè)備的購(gòu)置，這對(duì)科研經(jīng)費(fèi)有限的他而言，在當(dāng)時(shí)著實(shí)比較棘手。沒(méi)辦法，只能一天一天等，一點(diǎn)一點(diǎn)湊。2003年，等到他在“學(xué)校211工程”的支持下，攢夠足夠的經(jīng)費(fèi)把設(shè)備全部備齊時(shí)，無(wú)奈“非典”又來(lái)了，購(gòu)買(mǎi)的國(guó)外設(shè)備進(jìn)不來(lái)，真是應(yīng)了那句——“天將降大任于斯人也，必先苦其心志……”直到2004年，他和課題組才正式開(kāi)展完全的自主實(shí)驗(yàn)工作。

面對(duì)一道道困難和障礙，劉大禾始終從容應(yīng)對(duì)，他相信好事多磨。相比后來(lái)研究過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)，這些前期準(zhǔn)備道路上的“小插曲”只會(huì)讓他越挫越勇，更加堅(jiān)定自己的目標(biāo)，努力實(shí)現(xiàn)布里淵散射激光雷達(dá)在國(guó)內(nèi)海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

我終于看到，所有夢(mèng)想都開(kāi)花

在863計(jì)劃“九五”、“十五”、“十一五”期間給予的連續(xù)支持下，劉大禾歷時(shí)多年的研究終于迎來(lái)了收獲的喜悅—其成果獲得了省部級(jí)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，并分別通過(guò)了2007年12月、2010年5月以及2014年3月教育部主持的成果鑒定，多名院士、知名專(zhuān)家一致認(rèn)為他的研究達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

人們?yōu)閯⒋蠛痰某晒ε氖址Q贊，但只有他自己知道，光環(huán)閃耀的背后，那段艱苦而漫長(zhǎng)的攻關(guān)之路，他和他的伙伴們走得多么艱辛。

時(shí)光倒回2004年，經(jīng)歷了前期的種種考驗(yàn)，“海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的激光布里淵散射方法研究”終于正式啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)一番討論和分析，劉大禾將最終方向鎖定“受激布里淵散射”。受激布里淵散射最大的特點(diǎn)，就是回波沿入射激光的反方向回傳且?guī)缀醪粩U(kuò)散，信號(hào)被放大，能夠很大幅度提高激光雷達(dá)的探測(cè)能力。

這不得不說(shuō)是個(gè)大膽的決定，要知道光在水下會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，嚴(yán)重影響探測(cè)距離。而這種規(guī)律對(duì)受激布里淵散射的影響則更大。劉大禾的這個(gè)決定意味著，等待他的將是一條極具挑戰(zhàn)的攻堅(jiān)之路，而擺在他面前的第一道障礙，便是如何克服受激布里淵散射的缺點(diǎn)，且使其長(zhǎng)處都得到發(fā)揮。

原理上，劉大禾已經(jīng)證明了可以在保持受激布里淵散射優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)揚(yáng)長(zhǎng)避短，接下來(lái)只要突破技術(shù)上的難點(diǎn)，他的課題就離成功不遠(yuǎn)了。

劉大禾為此付出的是兩年多絞盡腦汁的思考和數(shù)不清的反復(fù)試驗(yàn)。最終，他解決了這個(gè)問(wèn)題。他不但找到了受激布里淵散射光強(qiáng)與線性衰減之間的關(guān)系，提出利用受激布里淵散射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水的渾濁度的方法，并給出了定標(biāo)曲線以及該方法適用的穩(wěn)定工作范圍，還給出了受激布里淵散射能夠大幅度提高系統(tǒng)信噪比和探測(cè)深度的理論和實(shí)踐證明，將其成功應(yīng)用于激光雷達(dá)。這在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際都尚屬首次。

劉大禾以此研究成果發(fā)表的多篇高水平論文得到了業(yè)內(nèi)人士的高度認(rèn)同，也收獲了多個(gè)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。但他并未就此滿足，而是乘勝追擊，又利用布里淵散射信號(hào)可被放大的這一優(yōu)勢(shì)，首次嘗試將受激布里淵散射和泵浦放大應(yīng)用于激光雷達(dá)中，成功獲得具有放大功能的激光雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)。

據(jù)了解，國(guó)際上慣用衰減度表示探測(cè)深度，一般最干凈的水一個(gè)衰減長(zhǎng)達(dá)約為20米，渾濁的水或許只能達(dá)到幾厘米。劉大禾的系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試，最好的探測(cè)深度能夠達(dá)到10個(gè)衰減長(zhǎng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際上5個(gè)衰減長(zhǎng)度的最好成績(jī)，定位精度達(dá)到0.2米，刷新了國(guó)際記錄。

前面提到，劉大禾認(rèn)為原有激光雷達(dá)遇到隱身目標(biāo)將失去能力。為彌補(bǔ)這一缺憾，他在受激布里淵散射激光雷達(dá)研制中，賦予了該雷達(dá)反隱身的特性。

原理看上去很簡(jiǎn)單，按照劉大禾的構(gòu)想，具體的目標(biāo)可以隱身，但海洋、大氣等環(huán)境本身卻是不可隱匿的。如此一來(lái)，利用目標(biāo)對(duì)周?chē)橘|(zhì)的排斥性，就能通過(guò)探測(cè)目標(biāo)周?chē)h(huán)境場(chǎng)的散射光譜來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

劉大禾做了較通俗的解釋?zhuān)骸巴ǔ６裕袝?huì)自發(fā)產(chǎn)生聲波，并以聲速向各個(gè)方向傳播。當(dāng)光與聲波相遇，聲波運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使散射光頻率發(fā)生變化，出現(xiàn)頻率大于和小于入射光中心頻率的兩個(gè)散射光，也就是通常說(shuō)的頻移?！?/p>

“這時(shí)候，如果水下有物體，它所處的位置是沒(méi)有水的，水中散射光譜的布里淵散射分量則消失，我們只要監(jiān)測(cè)到布里淵散射光譜的相應(yīng)變化，就能知道此時(shí)此刻在水下某一深度是否有目標(biāo)?！?/p>

這種想法在當(dāng)時(shí)可以說(shuō)是一個(gè)原理上的大膽創(chuàng)新，劉大禾最終克服種種困難，將該理念成功轉(zhuǎn)化成實(shí)際成果，讓布里淵散射激光雷達(dá)既能很好地對(duì)海水聲速、體粘滯系數(shù)、溫度、鹽度等海洋參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能很好地探測(cè)用常規(guī)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，為我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)提供了全新的有效手段。

自此之后，劉大禾又將布里淵散射應(yīng)用于海洋溫躍層特性研究中，取得了頗有價(jià)值的成果，為研究溫躍層形成特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等奠定了基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)海洋科學(xué)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展意義重大。而在老本行光學(xué)全息方面，他創(chuàng)造性地提出用低折射率材料實(shí)現(xiàn)全空間光子禁帶思想和方法，并利用普通全息記錄材料從實(shí)驗(yàn)上獲得了真正意義上的全空間禁帶，在國(guó)際上引起了強(qiáng)烈反響。

為了夢(mèng)想奮斗，那才是種享受

劉大禾的布里淵散射激光雷達(dá)的研究取得了諸多優(yōu)秀的成果—課題組發(fā)表相關(guān)論文36篇，數(shù)量不是太多，但每一篇都是高質(zhì)量，引用超過(guò)1000次，國(guó)際和全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議多次邀請(qǐng)讓他作特邀報(bào)告……

從某種意義上講，劉大禾是幸運(yùn)的，他幾乎所有最初的構(gòu)想都如愿得到了實(shí)現(xiàn)，在863計(jì)劃的支持下，在他孜孜不倦的追求中得到了很好的實(shí)施。對(duì)于自己的成功，劉大禾多次明確表示，這與很多院士和專(zhuān)家的支持是分不開(kāi)的，沒(méi)有他們的支持就沒(méi)有項(xiàng)目的今天。

科學(xué)家的成功大都有類(lèi)似的幾個(gè)特點(diǎn)：發(fā)現(xiàn)有前景的項(xiàng)目時(shí)的當(dāng)機(jī)立斷，遭遇阻礙時(shí)的永不退縮，以及漫長(zhǎng)攻關(guān)中不急不躁的堅(jiān)持和等候。劉大禾用近二十年的時(shí)間對(duì)此做了很好的詮釋。

直到今天，他依舊沒(méi)有停止對(duì)布里淵散射的探索。對(duì)他來(lái)說(shuō)，這些年最美好的記憶，就是每天鐘愛(ài)的事業(yè)都陪在身邊，這種為了夢(mèng)想奮斗的日子，分分秒秒都是享受。只要有機(jī)會(huì)，他愿意在今后的科研生涯里繼續(xù)付出十年、二十年、三十年……