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出品：科普中国 & H4 X5 C4 i+ ]3 W; j) R' Z! l8 {, l6 \
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
/ E+ j0 i0 p, s0 }/ U 监制：中国科学院计算机网络信息中心
& V3 r" |* j; b( o 2020年11月10日8时12分，继“蛟龙”号和“深海勇士”号之后，我国自主研制的万米载人潜水器“奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟，坐底深度10909米，这意味着中国载人深潜事业取得新突破，我们可以驾驶潜水器到达海底世界的任一角落。 + d& g' K: v- j9 v
: x" u2 @' M0 J9 D △（图片来源：央视新闻） # `; f2 N: |. `, [: y
不过，你有没有想过，在漆黑一片的海底，我们是如何回答几个灵魂拷问的：“我在哪儿？我要怎么走？” 2 L2 H2 P# c3 @" Z
在陆地上开车，手机上随便一个地图导航都可以告诉我们怎么走，走第几行车道，所以我们一般不会迷路。哪怕方向感不好，真的迷路了，拍个照片，给亲人朋友发微信或打个电话，他们肯定会帮上忙。夜晚还可以打开车灯，照亮前方的路。
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/ h) p4 |- `4 f O, h% l4 \ △（图片来源：作者提供） . y4 a# I3 a. o Y
但是到了深海，伸手不见五指，电磁波受海水的吸收影响，衰减特别大。电话肯定是打不了，更别说地图导航和微信了。而光学辅助成了“近视眼”，一般是几十米开外就难以看清了。潜航员怎么才能找到正确的路线呢？ & ]2 R: _. J+ n' E+ K6 Y# g$ F* r
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△（图片来源：乐美图）
! I' M1 Z* b X& H2 u 不要担心，我们还有声波！声波在水中传播时衰减远小于电磁波，成了潜水器的通讯导航利器。
], |# Y" G& r& d! l7 `) X) G 中科院声学所作为我国载人潜水器声学系统的总负责单位，从“蛟龙”号开始，就一直为载人潜水器研制必需的声学系统，为潜航员安全驾驶提供了可靠的技术保障。 6 D( Y% x7 t( i1 G/ j% ^
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 . W8 }; S# g" q* m- g
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ + ^* ^' x$ R2 o) s
声学系统有哪些？
4 H U% [5 F( v6 c0 A x" y& Z 按功能来分，载人潜水器的声学系统主要包括水声通信机、测深侧扫声纳、前视成像声纳、定位声纳、多普勒测速声纳以及避碰声纳等。
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△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 8 G, `+ q9 h3 F( O
（图片来源：作者提供）
7 d9 J1 c n0 U* i& f+ u, J 那么，他们各自有什么本领呢？让我们一起来下潜一次，领教一下就知道啦！ 5 M+ U5 o* d0 t* y: A8 }* O) ]2 g& |
入海下潜，水声通信初露头角
% B5 v! V+ |, _' g5 L 驾驶载人潜水器（以下简称潜水器）向海底进发，这个过程不需要特别复杂的操作，这时声学系统中的水声通信机发挥主要作用，负责将潜水器的各项状态参数（如舱内温度、湿度、温度以及下潜深度等）回传至海面母船。
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$ S# @) r3 y" N △（图片来源：央视频） 5 t c6 ^) p9 n3 r6 c- x
水声通信机是潜水器与母船之间沟通的唯一桥梁。它支持4种通信模式，分别是相干水声通信（用于图像等数据高速实时传输）、非相干水声通信（用于数据和文字等传输）、扩频通信（用于恶劣条件下的指令传输）以及单边带调制技术（用于语音传输，实现水下打电话）。
! k, m3 y7 g. i' K% T 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 6 @( ~3 K- D* k. K+ k3 u i
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道1 f0 n! b- A3 p% i J4 [+ `
在陆地上开车之前，我们首先需要知道前方的实时路况。潜水器到达海底开始作业之前，也要通过各种声纳“侦察”一番。 ( T* @9 i2 t9 G* \
测深侧扫声纳通常安装在潜水器的两侧。测深声纳通过测量海底深度信息获取潜水器两侧海底的地形（高低起伏），而侧扫声纳通过感知海底反射声波来获取海底的地貌（比如判断主要成分是岩石还是淤泥、是否有矿）。最终，就可以获得潜水器两侧海底的微地形地貌，以及海底和水中的目标，探测距离达200~300米。 " q, ]8 ^- t4 y& h3 O: s2 R+ ?% t
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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 + [2 S4 M9 A1 V# `: {7 u1 M, a
（图片来源：作者提供）
* Q4 |$ z% T, Y. q 前视成像声纳则安装在潜水器前部，负责探测前方的目标和海底地貌，最远探测距离超过200米。 # A c& U" p; p- o, d; _) z' }
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 6 S- y R# y& |" ^* S
（图片来源：作者提供）
# o( u# ^1 R8 v4 U 简单来说，测深侧扫声纳和前视成像声纳为潜航员绘制了方圆200余米的海底地图，根据地图就可以规划潜水器的行走路线了。 ) d, }" O j6 i) g2 [8 m
但是这还不够。开车行驶在公路上时，我们常会看到“前方施工，请绕行”“前方隧道限高3米”等提示标语。在海底，载人潜水器也会碰到这样的状况，谁来提醒潜航员呢？这时候，避碰声纳开始显神通了。
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8 z/ w% N- q1 @% b- A* n △（图片来源：作者提供） 1 l9 P- Q" g% f* `0 w
避碰声纳安装在潜水器四周各个方向，实时监测自己到各个方向障碍物的距离，为潜航员提供“路况”信息，避免发生碰撞。同时下方的避碰声纳还可以提供潜水器距底高度数据，用于控制定高航行。它的最大作用距离可达100余米，可以为潜航员在碰到障碍物之前提供充分的规避时间。
# ]( d8 B4 D/ H- ~6 S" E& B 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” + F. z* @8 T( |: Q* F
巡航阶段，导航在手不迷路
9 g5 H5 U4 Q+ Y4 e1 s, _' E 那么问题又来了，在陆地上，想去哪儿都有导航软件帮我们，告诉我们在哪个位置、车速是多少、预计多久到达目的地，海底的“导航软件”是什么？不要慌，定位声纳和多普勒测速声纳来帮你。
9 h* L4 P1 c/ m& g2 ?5 } 定位声纳的工作过程是这样的，母船安装定位声纳基阵，潜水器安装应答器，它们之间借助声波互相喊话。母船的定位声纳基阵有很多只“耳朵”，它收到潜水器的喊话后，通过计算每只“耳朵”与潜水器之间的距离，就可以精确定位潜水器，再把定位结果通过水声通信机传递给潜水器。这样就可以实现导航。 2 [1 c6 M: w9 j+ h
# f+ `5 `& B/ \ △定位声纳测量的潜水器轨迹
$ u- c/ j! Y7 {6 _) O9 e5 `$ J （图片来源：作者提供）
4 S# `/ f8 D* ~$ a- l 多普勒测速声纳安装在潜水器的腹部，它可以利用多普勒效应测量潜水器的行驶速度，以及潜水器下方的海流速度。多普勒测速声纳配合惯性导航仪，就可以准确告知潜航员当前潜水器的速度、姿态和方向。
0 ~* E0 J) Z1 R7 ]0 W# \+ C) Z9 Y 通俗来说，定位声纳告诉潜航员现在在哪儿，多普勒测速声纳告诉潜航员潜水器的速度有多快（千万不要超速啊）。
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△（图片来源：Pixabay）
) f- {9 _# g/ E; @6 U; X* A 依靠它们，潜航员就可以随心所欲地驾驶潜水器，想去哪儿就去哪儿，再也不怕迷路了！ ! \# B4 P5 B: p/ N! [! Q
海底作业阶段，水声通信再次登场
/ ]) S7 f3 d; H+ K- \ 当潜航员到达某个区域展开作业时，发现了罕见的海底生物，拍摄了值得纪念的瞬间，怎么实时分享给在海面上的人们呢？
9 l$ Q! ^; A5 ?5 l# l 又到了水声通信机施展才能的时候，它的水声电话功能和相干水声通信模式支持语音、图片的实时可靠传输，这就是妥妥的“水下QQ/微信”呀！
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- X/ s6 _. s/ r5 _5 r* s6 a& h △“蛟龙”号传回的海底和生物照片
# I( F6 j; H& L* R1 B" f- E （图片来源：作者提供）
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音 , ]/ E- Q. @, Q* ?: p
（图片来源：央视新闻） * ]" ?8 p- U6 x J
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
) L$ t- p1 ~$ b- z) ~/ r, _ （煎蛋+炒面，看着就香）
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% y' c, j1 j& ~+ A [( c2 C8 K △（图片来源：央视新闻）
; F9 O1 w7 ^/ z6 V- b 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金- G' `$ w9 z& A- L, L7 ]
根据测深侧扫声纳和前视成像声纳所绘制的海底地形地貌图，加上定位声纳、多普勒声纳以及避碰声纳的保驾护航，还有水声通信机和母船的紧密沟通，就可以让我们的潜水器安全返航啦。
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6 v6 ^" o/ O7 h' o8 O, p △（图片来源：央视频） 9 c! ~2 ?" \0 P0 V) [; _
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ ! c {% E# ^( K5 b0 H
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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