收藏本站 劰载中...网站公告 | 吾爱海洋论坛交流QQ群:835383472

“奋斗者”号胜利返航了!你知道声学系统对它有多重要吗?

[复制链接]
- z9 E# f8 B+ @3 p/ p

出品:科普中国

6 F1 b) D9 j: g% y

制作:李栋(中科院声学所海洋声学技术中心)

' ~. }1 v* \0 a0 D0 X+ @

监制:中国科学院计算机网络信息中心

9 ` k1 F1 ?( {. q% i( z

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。

$ j4 n2 b/ N' \/ I( s6 r- O: D
8 `3 m$ s9 t# ]9 e; ? \+ t% w

△(图片来源:央视新闻)

7 K, r7 O: O; N

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?”

6 U0 p$ E w) V

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。

, j3 ~# B/ ^# K) o& A
5 S4 x# P6 \+ K9 Q) I

△(图片来源:作者提供)

# h! ?7 O/ o K+ G J) l

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?

& U ]+ d- J+ G' ?
* s: }, b. h; ?3 E

△(图片来源:乐美图)

, L9 u, H4 @$ ?- V- g

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。

`" q" d# R& }! w

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。

" e9 s! [, M/ _' i8 V

今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。

; T& O$ P% y: U& C" g: i

注意,下面开始划重点,潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~

$ S3 D& c0 I7 `7 ?

声学系统有哪些?

7 [, u# T& P9 w( n

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。

: b- o. Q/ B" T2 D0 E$ k* s& g
7 R8 j/ r. B8 Q; T6 M

△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图

4 S1 }. K1 O% ] i h1 ~: w; n

(图片来源:作者提供)

! h# A% W" ]- I# 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!

' U" u1 e* r( [" c. o8 a

入海下潜,水声通信初露头角

, G, Y' e& V( W4 i

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。

6 R" i, Y# |, s. s
( L7 K) t$ A7 R6 I# g r J8 M; E0 y0 I

△(图片来源:央视频)

0 z2 p, w) I% v7 y6 I, j3 M

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)。

. c0 d$ M% R. x( C: W6 ]. R

很明显,下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。

, D* z0 R4 g9 u+ e, f7 t/ A/ A

到达海底,“路况信息”声纳一扫全知道

0 r( M/ Y& ^5 w5 d) ~1 p: @

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。

3 D2 S+ s/ ?* b# [' D+ S; \0 H

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。

+ m' p. X/ M ~, e$ u5 G
; p5 K! d ?0 Y9 D: }1 C+ E

△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图

3 X6 x, \& L0 S( P

(图片来源:作者提供)

! \6 }) t! m& V- l" N* U

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。

- z; ~, O; L# a
6 f! F) E; a1 ^, u

△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像

3 t* z4 X7 i: [' @

(图片来源:作者提供)

9 Y1 W7 C; }/ o. u/ K

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。

. G' ?2 }9 J7 B- r

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。

. Q! D) M% K# S+ x6 D; z
- Q9 z7 C6 p) Q9 K! n
/ t. g/ N/ V1 e0 G3 M
3 V; @2 P4 A! p" A2 t( u* |

△(图片来源:作者提供)

$ x5 F% x1 B- G6 n

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。

{7 `6 u% J$ ]4 p/ R

所以,避碰声纳是安全员:“一定要保持安全车距哦!”

4 M5 T$ c2 X* U5 U" _/ y# w

巡航阶段,导航在手不迷路

' b2 e% J5 P' r

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 i0 L i! |, F# A5 M- g3 U

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。

# F ]3 y; Z2 q3 w
1 g2 f: K1 P/ }; J

△定位声纳测量的潜水器轨迹

2 C& o& D* s: @! I; k6 L

(图片来源:作者提供)

5 ~, o- s1 W* P- @8 G% A

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。

' f R/ ^/ X' P9 }/ n' D# Z8 X( 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 m1 V# v7 X. J; v5 Y; ^
' A- S( H! l" Z- w4 W: I

△(图片来源:Pixabay)

& `% C0 T5 B3 S/ w5 T

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!

, L( r& q+ a5 Y4 x

海底作业阶段,水声通信再次登场

( X# |) n% y# `1 M4 e& @

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?

3 P. f s ]1 Z- {4 _# z

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!

b; I7 S. M& n5 Y
. Q1 e# |6 \2 i8 p8 ?' i V

△“蛟龙”号传回的海底和生物照片

6 V2 n& G9 @+ B0 P1 u2 _

(图片来源:作者提供)

- u* L2 b2 ?- {- j. s2 @- q0 q
% M4 ]/ m9 t8 Q/ c& C i

△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音

/ ?0 _0 A+ p' I& o: v( S

(图片来源:央视新闻)

4 ^2 ]% y* |, s. ~8 \! v
( Q9 D. u. m5 y7 i+ S$ J' g6 c+ u

△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片

. G) a% H( g8 T" } W

(煎蛋+炒面,看着就香)

& W' O5 M* w; Z; \
9 r s5 ~0 I' I

△(图片来源:央视新闻)

# a! H. ~7 Z2 \+ N0 b2 n

返航上浮阶段,兄弟齐心,其利断金

$ k# e, t5 T8 l0 z. U- y# k

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。

( S# l. {$ f- B& y* T
2 W) Y# }4 I$ ]3 i

△(图片来源:央视频)

, R) b- b) C+ A8 K* Q2 n

现在,你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了?

' M) n, p% M% k# I& T" l

本文首发于公众号“科学大院”,转载请联系cas@cnic.cn

* @" P5 T# c1 _' W: T9 j8 @6 k+ ? w+ D' F! E3 b" c5 S& t ) J/ a5 d7 [$ i 2 W `8 i' ?" h9 U 4 w3 {1 y) o% `0 |! e/ r# m
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
茶江鱼
活跃在2026-3-29
快速回复 返回顶部 返回列表