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出品：科普中国
& u& x3 L/ ?( ]8 g/ \ k$ F 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
3 J9 ~ B, _- e" v# M. D4 f 监制：中国科学院计算机网络信息中心 - N* {( [: B' 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。 ! a$ b: I; }2 p: e/ l- h
8 O5 w( C/ N0 Q% Y h& ~" R; l& H △（图片来源：央视新闻）
* O3 k3 m! ]5 @9 ?! x 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？”
; H- {' a; b! |- z+ m' ^2 M8 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）
) [' x* W( d4 M6 y9 K3 j) ~ 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） 8 O; W( `; p+ C8 J8 R3 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。
2 B! J) w4 f% G8 n7 N9 o7 n 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。
3 R" c% Z" t3 E 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。
) |- e( O+ k+ j( P3 I 注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ ; }7 y7 M; a- t* P3 ^* v# t/ c
声学系统有哪些？
4 t3 H- f1 ]6 o2 F; q 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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- E, {1 H& `1 c( Y9 V △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 ' L4 z P* k* p- R+ ?# ^9 K( Q
（图片来源：作者提供） 3 Q2 W I2 G1 m2 s
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！ ( b% y3 m; p! k3 D$ Q3 [
入海下潜，水声通信初露头角* P# p2 d! D" p5 K/ 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。
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△（图片来源：央视频） 6 l+ T* s8 G% g1 V8 {
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）。 8 ]/ ~/ l Z/ l; s* N" S
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
( l8 u( v5 O& e% p2 A+ L; | 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道2 x# H2 A) E: L 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。
0 _6 }0 c1 i! G( q! e W$ F; J 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。 ' u; I' Y, m! X/ P( L p# v7 ]
& p5 n; S+ O( c1 S' n △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
( v2 ]0 T" h+ ]- @4 x9 t# o （图片来源：作者提供） 3 ~9 i0 ^, X6 i- e0 |; 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。
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 # \, w, C i! M V' F1 {1 @
（图片来源：作者提供）
% u. M: ^/ Z4 I1 l1 u 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。
, T4 M" c) G$ O" y1 A* k- 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。 T- c" D* r, t1 E
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7 l" z0 g2 n( k$ |) k' Y △（图片来源：作者提供） ' t8 `, ?$ ]: R5 W* {0 Q5 E9 h
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。
8 P* G! [) Q# X- I/ w" ^' d 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” % `* e% b1 g9 l( l
巡航阶段，导航在手不迷路
0 U$ i2 N+ I5 m! u# X3 H 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。 # c( H9 j* S3 E/ X1 L, H9 x
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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△定位声纳测量的潜水器轨迹 ! ?1 ^+ W7 y1 S
（图片来源：作者提供） 4 O/ G6 O+ T: o' `3 P6 `
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。 - u% E4 R) @; n
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）。 ( v) L2 q. [9 R( g2 _
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△（图片来源：Pixabay） , g) }4 f- N. `7 ~% h8 s
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！
) ?: K* q" Y) W+ e/ u 海底作业阶段，水声通信再次登场
_# t9 l; G/ l% ~0 D: S" I6 ^5 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？ ) S9 Y% Y& _9 A% |8 M9 i* 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！
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 , m+ a6 p% B' }, }+ [
（图片来源：作者提供）
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8 V5 Y) m- m! }/ o7 ^8 X- b △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音 , p- {/ k2 e0 ?: ^. v
（图片来源：央视新闻） 4 y% O1 H9 i1 @+ x+ m: }, u7 x
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
3 X6 [ {5 g6 O4 M6 T/ l/ f7 J/ C* s- f （煎蛋+炒面，看着就香） ! o J I o9 J8 c6 S
$ B+ x: G4 o C9 D3 k △（图片来源：央视新闻） # H" T+ Q; _% @/ p% t" K
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金; ?' [+ A) U( g" Q) b9 `- y- A
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 N. }9 _& O& G2 O6 k$ z
8 ?4 C0 ~6 B1 g b △（图片来源：央视频）
6 ]) q0 d3 f- i; w1 v 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ 8 v, ?( _& A/ k+ A7 i* B
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn # |+ j/ q& Z5 ^2 Z! m3 Z
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