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8 d- S4 k1 Z% U6 P& K9 B 出品：科普中国
( V) g3 ^3 G7 M- A. Q- ]6 B 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） ' U: \, Z3 D- h; Z
监制：中国科学院计算机网络信息中心
0 u% g3 {5 F6 j2 W4 R o 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。 1 o9 g& ^# V$ m4 }' @2 K( u$ e! p p
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△（图片来源：央视新闻）
8 ]! T' P2 S( n) K/ j& q6 b 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 v5 g7 k* U, x( `( t% |5 ?
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） w Y& U& Y, d1 E" A6 i( a5 S
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？ ; q; r1 U; }1 S
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△（图片来源：乐美图）
2 Q, _1 N# j" T. x- ~& |" i0 x$ E 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。
! N. h6 m) H8 p6 ^ 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/ J9 n' H; Q6 E 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 " e% h# I. w1 z. H' b
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
- J: K# V8 e6 s$ p) {2 i* W2 c& H 声学系统有哪些？; m/ V' Q% K6 |, v4 }- A0 V
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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△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图
( r( A: W% \9 f& ? （图片来源：作者提供）
& T" U+ n& 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！ & ?4 ^, @" P) F% y
入海下潜，水声通信初露头角
9 A$ L6 E3 ? g5 [ D6 A. N! t% a* ? 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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3 K; V) a( r" N5 J △（图片来源：央视频） q* T2 n( x/ p2 ^; N' [- Y7 u
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）。
. \( m/ S/ I" ]2 ?8 F" z 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
2 |% y3 p: u( Q/ d8 }& ]+ a8 Q 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
9 h9 o" n3 V# x4 i6 X 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。
& k9 m; b- g+ `! ?5 P 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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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
$ { V3 h& M# i8 o: b, E) | （图片来源：作者提供）
: e3 T6 h2 @5 H; 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。
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
7 k6 i% l! D F2 ?- [ （图片来源：作者提供）
1 {- Q; x) G3 w3 j0 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。
/ \" W$ G- u. t: [7 r+ E0 p 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。 ) U, T) z3 s& A" h# [8 o* A
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△（图片来源：作者提供）
3 s$ E+ x6 l* o9 K; d' I. A 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。 & o7 V4 h) `5 l. A% S2 X8 ]
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
, ^! x1 ]" g- b* M/ x5 l 巡航阶段，导航在手不迷路' q. S, G9 x/ z* m
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。
0 g z. `; N$ m9 A9 ^ 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。 ) d' Z# X2 ]" a8 P$ ]7 Y
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△定位声纳测量的潜水器轨迹 H: Z/ ~7 |3 o' R. t% d# I" M
（图片来源：作者提供） - B6 q4 n O0 C! Q# t4 v) A7 f4 _
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。 / P+ ]) ^/ h: _& y# i% 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）
, }. Z* g& y/ O# z 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！
5 E9 B* ^4 o& a( N/ E$ y: q+ ]# [ 海底作业阶段，水声通信再次登场
* G ?8 {' I, g' D9 C 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？
8 l- D4 d6 a' I' o% N 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！
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4 A, T+ E' A+ K, @' W9 |$ V/ e6 J △“蛟龙”号传回的海底和生物照片 , }$ L/ w. g9 t9 ?" Q0 K: S
（图片来源：作者提供）
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, H9 l- ~/ C" E/ S$ A △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
) z" Y* _, F7 {" T1 O% }+ ? （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 " I# I8 q: R' Q3 U: o4 \9 ?
（煎蛋+炒面，看着就香）
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△（图片来源：央视新闻） ; u7 M" L3 \9 A' n( K$ @
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金0 \, R3 F* \$ F1 _& v
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。 / v8 N) T( L9 s W, r$ Y8 ^
1 `/ T9 |4 D$ w △（图片来源：央视频）
& I3 e' f( g; w7 }6 K) N- d 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ ' G8 r, ^8 ^. d& I+ e! q4 F
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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