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出品：科普中国 & p- n; z! F' u {4 T$ l
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
/ ?9 |$ A2 B) a, u 监制：中国科学院计算机网络信息中心 $ i8 d4 R+ n( I% B
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。 % ~# o* C _' ^8 w
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△（图片来源：央视新闻）
) A( n. `6 \( C& k0 k- J7 V4 d2 w 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？”
# b5 C% A0 `' j4 s1 ` 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）
: m9 T( `# `1 N7 f' M 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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' L4 }$ W8 p+ T, j △（图片来源：乐美图） % C9 X, i7 M; t/ i& n3 S
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 ~$ L+ d6 ?+ \! s/ I! z 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。 - m5 o: U. U$ ~# n3 I6 T9 K
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。
2 g0 ?- }% U5 C3 V/ u7 i$ a 注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
, Y3 R; ^# w! j 声学系统有哪些？- t5 q; C- v9 O. C/ m" a2 h# u
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。 ; k) u" } {; X7 g% l/ \. F
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△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 5 i. k# C/ k9 U' \5 I: m
（图片来源：作者提供）
$ h3 c9 l' @, i1 y: L6 F 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！ ) C" B9 L. @1 w6 Q9 f
入海下潜，水声通信初露头角* m4 C) O6 @( g6 s. @; B
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。 . X9 \" q8 w* {! C" K4 I( D1 R
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△（图片来源：央视频） ( i% }8 A1 T! r. ?
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）。
& E7 `( E7 h7 `' u" W( T' n 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 " ^; y0 q9 x5 @: c- L
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
L# }" [& O/ ~2 G0 M9 B" p8 T 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。 ( s2 o' p* s( Q8 p4 S2 k
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。 0 L6 ^) w" s" ]* C3 S
6 s l2 g! Q- V+ ]9 `& q" d+ j# t △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 B( o" Q6 H! l4 g
（图片来源：作者提供）
0 Y2 F8 K4 |2 q* Y 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。 ' B9 s) s' H+ S/ v3 v' |
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
6 Y2 [' ` K! i) }. M （图片来源：作者提供）
' D6 E+ @' G. 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。
2 D' B+ Z0 v- c9 `- s 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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△（图片来源：作者提供） ; }7 l# d$ L( X1 q
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。 & ^9 ~ i- f+ h
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” 6 _5 N: Z* h0 M9 x" F' V+ t3 n+ `
巡航阶段，导航在手不迷路
/ S1 |" o/ S2 d! y* S. s- 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。
2 m. i4 o1 j l4 y1 ~1 V7 a 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。 ) G: `2 N* F: s; K8 c
4 K$ R0 r8 [) k% Q △定位声纳测量的潜水器轨迹
; e1 |# ]) @! S& [3 T （图片来源：作者提供） * i0 Z' P7 P5 I" W: e1 ?* e, `8 ?" O
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。
! o& Z8 y8 [2 C; }! g$ o 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） + ^# b3 \* {7 n4 _' x
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 ~9 ?1 e7 V3 Y5 H 海底作业阶段，水声通信再次登场$ h m# k; u2 M) b& ~: p
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？
& Y4 t! R! g; y 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！ / J7 S. O5 x3 f- N# X
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 ; [* E( K7 o4 P7 p) ]! T" ?
（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 1 K W+ x6 a P. H! y8 S0 V4 s+ P8 m1 q
（图片来源：央视新闻）
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 " x9 m, j# i0 E3 y' F9 y) P- n6 G
（煎蛋+炒面，看着就香） 4 d. j0 A3 c' `9 [
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△（图片来源：央视新闻）
- {: J; y @0 E, l9 ~! m" K 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
9 y. i6 R7 `* x0 s3 T/ ?( q 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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& k% U8 |% _* |7 Y6 r6 R △（图片来源：央视频）
1 D2 Y- {. [( R2 i7 L 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ % [1 v0 x4 r/ Z# E5 V" ^
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn i, ]$ A' O2 y* R6 j
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