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$ {; d3 x6 C+ s% Y& m- G 出品：科普中国 . c: g# v+ `9 m7 E
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） + W" b4 P3 l5 P! E
监制：中国科学院计算机网络信息中心 6 ]* }0 k5 G) P* [/ ^; R
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）
0 X6 W# b6 r, ~% L. k# g" 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？”
0 [# C7 z9 `" m% O% [* I 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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△（图片来源：作者提供） + i. A% k$ n3 S- \) _) L; p0 @& m+ u
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）
G( z" ^4 o! c s5 q$ d 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。 2 y% q! R- s& {7 r \% z- i
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。 , O% j1 e) e$ j9 F! v, U
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。
( j+ R6 @, U0 Q$ a0 l( Z7 V7 { 注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ 4 g7 a, O( p) Z# o
声学系统有哪些？
$ ?5 x$ q% V" B; m3 w4 y 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。 : c8 p1 I: W) T3 v7 j
* r. @" e. i5 M; D7 H9 Q △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 & Z) G! _) C6 P/ g' G; R/ o
（图片来源：作者提供） # |. R4 L! T! U* F+ P
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！ 3 {7 [& H$ G+ T7 g9 O3 o
入海下潜，水声通信初露头角4 A: Y$ L, Z8 j$ F) t
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。 ' r3 C) G* v# R& e9 C. E9 I
* S' E- o/ b3 {$ h/ \$ I; k4 i4 P4 d △（图片来源：央视频）
+ \$ h* q" k5 W7 b- R* i+ x/ k 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）。
2 }+ I/ F* U! ~9 s- n @ 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
6 ?2 ^7 | L( Y7 ?' G" Q! |5 B) v 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道6 q3 Y4 f6 [+ B: ]9 [% M0 v
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。
2 D1 J2 L" r# r! I1 G+ 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。
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4 A2 w+ u" M7 y! q5 M) w" g9 s △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
% I" k0 {4 X+ V% h$ N7 O: m* `0 n （图片来源：作者提供） : Z; R* M. @- c! s. x) f" i* B, i
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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8 r5 @/ k% |2 }9 `; W △“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
# u1 h. O5 x: R9 S （图片来源：作者提供） / ]9 H2 [" v) \% R
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。 , u& v s D) I6 i- V1 a# X
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。 2 y4 `! h7 g) D8 z5 ^3 K6 J: h& u3 ?
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2 F2 h* P$ Y( j1 t' e △（图片来源：作者提供） ( y4 E$ _6 S; ]5 c7 X
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。 1 V' x, B, j' B( L* n
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” " M% F& O) B0 D6 ~
巡航阶段，导航在手不迷路
: S, \% |4 o& Z6 s 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' a e/ `+ g7 D% {/ T
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。
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" R8 o# L3 g @- U+ \3 z △定位声纳测量的潜水器轨迹
9 @7 `" H& O6 Q0 s' o! X （图片来源：作者提供）
" v. @ K- Z' \ 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。 # K- o) v( G* P. w
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）。 6 @1 w0 Q% W: s* W1 d' h! U3 L
/ Y. d- E$ m7 C0 ]# E- ~ △（图片来源：Pixabay）
& e- O( c3 B) p ^2 ` 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！
0 ^: ^: I, O) O6 t 海底作业阶段，水声通信再次登场
. I2 G9 T' U) j9 y3 X 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？ # E6 [4 y U% ^" @* }
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！ 3 [5 L9 {2 [$ g: j) G
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 & d* ^! h. E0 w) Q/ X
（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
! O, ^0 E/ U) k+ d2 V$ ~ （图片来源：央视新闻） " x" b5 ?2 ^. |5 p
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 / \" a" [5 x; d' B# v# q
（煎蛋+炒面，看着就香）
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△（图片来源：央视新闻）
4 S8 M, `- X$ O" l- L 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
5 X+ L. q( H0 p' U1 M ] 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。 ' j! S2 t: x& Y. u' k
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△（图片来源：央视频） ) a8 D% y( |0 O) j
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
1 C. [3 p5 O0 v, v: \" F8 n& ]/ k j 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn ) ]( n% e; L7 t$ N) n% E; l0 [9 e K
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