|
8 ?' Q5 i1 N5 Y5 }8 N) ?3 h
出品：科普中国 4 ~# U8 w2 U0 @# \. Z
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） 3 l) E- V; A- a0 k. z
监制：中国科学院计算机网络信息中心
" y/ k2 i8 P2 ^" V* I; T3 u 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。 K' B- m( k! b# w
5 m' `1 p f9 m/ \: n) s △（图片来源：央视新闻）
) r$ r# T5 t1 R 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？” 5 w: Y p- d" M5 F# J
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。
( k! m% H8 m, K4 z* V- c o% F & D2 c0 i4 @) U0 q3 v
△（图片来源：作者提供） B4 ^. y! ~+ h$ 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？ ) n" K7 j' [7 k* E& O
4 ]2 C. c" s" J △（图片来源：乐美图） + y# x$ M8 S/ z: q
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。
( n6 m6 v( v, k6 G6 e# T+ v 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。
+ _- G6 ^1 q2 `* N' V 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 0 y' f( X" j8 h* Q9 f# X+ r
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ " u# c- \/ J. B
声学系统有哪些？
* r' ^% j( X: A4 e# C6 h 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。
' g5 z2 S* ^5 f$ @7 C" I
4 w! {6 m1 d5 `, O" p$ n5 |. W7 P9 T △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 9 Z7 q K- N& i2 p7 H+ b& v) z
（图片来源：作者提供） - B& O' t2 E9 L8 l) A! x! F0 ~1 h
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！
; E+ P# b& V. } 入海下潜，水声通信初露头角
a4 p( ^+ K k, N9 ?/ v1 w 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。
) P% W5 o& X7 w) p" ]/ }' D
# C0 B3 N" q' t; X0 i2 ~5 I △（图片来源：央视频） 8 B+ B% S. R: j3 g9 ?0 X6 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）。
: ^5 m0 S, D% K) J 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
' }0 }3 {9 r" B9 G7 i 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
, c% R9 P3 q# U( O9 h! l 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。
6 V5 r3 |! V( o) d7 [2 n 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。
. e2 k- f( V: D6 W% g6 U4 k# u5 S
. G; R- {6 p. o. J △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
# e, j4 P4 x$ w9 X/ f: l' x （图片来源：作者提供）
* q. ^ Y$ y2 r' W. _9 H5 T 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。
; f' u* O1 h. K! h" g
; E, c6 Y3 o* _8 T △“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
$ q1 w3 V% m9 w7 ~* X, U （图片来源：作者提供）
( m0 p9 l4 I* S; O9 O: O 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。 6 Q: O( ^7 u2 s
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。
; D, V" Z$ ]: c: ~ ; _ h7 P" I# m1 Y" E
/ M( [6 J! w3 M1 X# m5 x, a
! j% W) A' G- N% B △（图片来源：作者提供） . L9 U& I! k' c9 t( c, ?
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。 : K& \5 U0 Q9 b5 C! H7 ?
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” 5 N2 z2 l- X" U
巡航阶段，导航在手不迷路3 e" b0 [7 L( J! f, g2 }
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。
. O% F) t- ~$ e0 ]% ^8 @ 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。
3 Q5 a- o7 j0 x" q% {; @ + g8 j, _6 V% l* q0 n5 \
△定位声纳测量的潜水器轨迹
% {% W& n) p3 g2 Q/ [! i# G （图片来源：作者提供）
8 W2 D2 G% V, M$ C1 ? r 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。
2 T3 G. W; v9 K4 l! t3 | 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）。
T0 Y8 P1 o- v0 C6 @. Z
# d1 q( R! o3 O; k C △（图片来源：Pixabay）
1 L# k: O0 b- t8 o' l+ t5 K 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！
7 b! m, K) F4 P7 B1 B% [ a. a6 | 海底作业阶段，水声通信再次登场
6 j. V! ~7 b, U3 Y; 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？ " J+ p W2 B$ ^; ~$ Q* n! c+ o1 p
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！ $ K% f1 `' j3 q; f+ X* E* N$ S; Y% \
' G) f1 w0 w7 {; U$ f( t
△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 ) R2 M" k# X# h7 m
（图片来源：作者提供）
; H( w4 Z) P2 S" U7 H9 P, R
& g% F+ p% Y; | } △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音 ) `$ d9 K3 X5 L$ J* M/ k
（图片来源：央视新闻） & J4 }3 I0 R! @" g6 C# |
+ B$ k" A1 L+ g+ X+ ~' J9 {* C' z △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
* O( l$ V8 r6 H) ]! f5 q （煎蛋+炒面，看着就香）
7 P; _, i% d- M
5 j1 i- i$ n- F △（图片来源：央视新闻）
9 V2 v; @. Q+ R4 L; N 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金8 }$ r) G5 h( y0 W
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。
3 ]+ _7 I" f2 A* ]9 z, z ( ]. G* n9 ?+ [" t5 b8 _ v
△（图片来源：央视频） ' [. D1 Y/ \$ E- A
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
9 N9 |) ^$ L; m 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
) ]6 o. I' w% s0 d& K
, t% j. x& |9 A9 m- O1 T m
8 A) h: V* @" U3 Z; m) U" c3 E8 R( T$ I& L
/ [* `# o3 R* y( F7 t | 
