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6 v6 h/ z+ Z. r' O9 t 出品：科普中国 # @: |$ u" J# k. R/ r/ X
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
( @$ c4 ~! A k+ D 监制：中国科学院计算机网络信息中心 - m9 U, s5 V9 O) m; q/ j5 F
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。
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△（图片来源：央视新闻）
2 i) ]8 r- h! D% F2 f- H4 v2 U 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？”
: a6 g6 ~, L! Q 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。 / H0 {1 Y/ ? A* L4 N
$ j) \* _; q& ]( f) { △（图片来源：作者提供）
0 T8 M: p$ ~8 O @ 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？
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△（图片来源：乐美图）
4 F0 A! N8 T% s) q! t 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。 ' [9 C; E2 [) t
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。 / l, o: M8 _( }8 p0 T
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 ' \; y t v1 P" N' | Q7 T. W
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ ; Q3 }/ b8 x [/ S( O
声学系统有哪些？
/ b) Q( I: h. K8 A* k 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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9 D9 n5 H- q8 w6 i0 V! E9 C △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图
8 a" i8 `" B# s! F+ |: c （图片来源：作者提供）
* J) j8 s9 c0 l. U: t 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！
8 p; p: c3 z4 p6 ^2 [: m% w4 e 入海下潜，水声通信初露头角* B+ ~2 V' m9 d& j; ]/ `& [' S
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。 : P6 m+ s" V8 ]. O
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△（图片来源：央视频）
3 b4 ^+ w; z( l4 T" `0 i) D 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）。 # v8 n2 c: S C# {' f% W
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
( z$ {" [$ G' e, L: u; w' Y3 o 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
: d, s& {; I- ~! J 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。 , R b" q& s4 B* }8 j: _3 I
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。 ) R' F [7 x3 K* B* [; N$ W
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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
- z |9 P% e$ [ \% T* z （图片来源：作者提供）
' y$ e6 I" c& Q# ~$ i6 | 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。
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 7 N- B' j# r4 g: j6 {% F
（图片来源：作者提供） 0 w6 _2 `$ ^! B0 v
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。 7 M' h8 h2 F; L! _
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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: B4 m1 S: n* r% l; F( X6 \ △（图片来源：作者提供）
) M9 h9 k8 ^7 r- ~' ^ 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。
" w& C7 x* y& e f# e9 X 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
7 q6 h! w8 _/ v' W 巡航阶段，导航在手不迷路6 ]0 t8 r0 X! x
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。 . F+ L0 Q& N2 N" h% X/ J. P" w! P
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。 + W, | i/ Z" W
% C+ e2 t: W4 D9 h/ i2 f4 M △定位声纳测量的潜水器轨迹 ) F( D3 [1 m# j. p
（图片来源：作者提供） 7 e1 T. l% @' q6 F' U
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。 ) A# [# U8 b6 K
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）。 + n# q5 S+ o) H8 n* X
) U/ Q' H0 J4 l: @% U( t9 m △（图片来源：Pixabay） # _, {! }5 @ r
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！ 5 N5 R6 }* J5 ?7 S, u5 _/ C, v
海底作业阶段，水声通信再次登场% ]2 p% S# J1 d; u/ p% X$ j' ^
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？ |7 g9 G1 {: F
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！ 9 F# D8 r1 m* M. j M
; r6 t. B9 j3 [1 g △“蛟龙”号传回的海底和生物照片 7 y; e, R& O- }+ C
（图片来源：作者提供） : |9 j% M9 t% k) j( R9 p2 n
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
4 }6 y- B* w" w: s z- ` （图片来源：央视新闻） $ m4 ~! h+ D" N) L" N+ z) x
5 `. l' m' N" e& ? △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
* [' L9 U: ^% m: {1 R （煎蛋+炒面，看着就香） , G$ }8 l! Z* x( J1 |
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△（图片来源：央视新闻） . y; @& T0 |% `1 Y
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金" M. R& Y- O- S- X! h0 c9 [, D( ~
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。 7 X* ]/ T& ~3 e/ w" I' o5 v) ?
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△（图片来源：央视频） ; g, L _! n7 l- k" {3 V0 T: S9 u
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
, Z2 o9 h! [' X/ d 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn ! k- P/ Q6 k$ g8 Z3 w
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