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" `$ q" a7 u5 D" w" N3 Q0 c1 X/ { 出品：科普中国
+ z4 j" K- u; K' z1 o; R7 Z( D 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） 1 Y4 y6 q% C: [# e( J* t* C
监制：中国科学院计算机网络信息中心
/ h0 i& I- q2 }; V 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。 # i- b+ H1 v) ]0 n
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△（图片来源：央视新闻）
5 L8 S2 M$ L v7 \ 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？”
0 }) J' z: t1 p2 T. b: L 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）
1 ?& I3 r+ I7 D8 F1 x 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？ % l0 Y7 f/ M$ V5 [! n h
0 {* F4 L" C+ G$ \# A4 P9 d, l △（图片来源：乐美图）
( g" c$ O. ]& |1 P( n9 D 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。 $ X8 a, j# v) 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。
; P" ~3 z0 I3 J r% w 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 ; f- g9 t4 @" b5 }2 C5 v, W
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ 8 k3 q+ z: ]9 m- p3 _+ G& V
声学系统有哪些？
( m# \6 D) _: x4 S1 g 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
4 r/ x( T- [, K" `( N （图片来源：作者提供）
3 G/ p' _6 R9 f6 z# q' t 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！ # d) c# t) W2 |* G8 W9 i, d+ v
入海下潜，水声通信初露头角- O' b2 V& @7 K8 n5 u
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。 / Z7 V3 r+ q' _9 c* ]% f
# R" L o2 E5 D3 P( N' _7 [ △（图片来源：央视频）
" a) G3 ]. F" T1 s2 [; E 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 A! `: o. `) t: B, D! X; F
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 1 F4 b7 K) Q1 i7 C
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道% ]5 D: d7 N& j! D: ?1 d6 R z
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。 % J. O9 L( O, q( b
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。 + A$ `; e T; E X$ l
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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
, M- ]# s# P; t4 \7 p1 Z （图片来源：作者提供） $ v% V* c: a; S7 O' L
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
# J1 Z. h& i4 A0 ^1 F4 I （图片来源：作者提供）
: M* t: p/ |3 Q. _5 X- m' M& Z# W+ m 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。
8 a7 |3 |7 ~% j# 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。
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6 j/ Z+ X* W$ h( ] △（图片来源：作者提供） 0 w) }4 P0 ?( K' S
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 n/ f8 H) O4 [# P 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
, O$ m. C7 f ~' r 巡航阶段，导航在手不迷路
c; u3 ?+ o* b) P' D 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。 % S* P. Z R# U. Z8 j" R
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。 / W5 }6 D0 N6 l( ]4 S
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△定位声纳测量的潜水器轨迹
" x* `! A( V+ T* J) q （图片来源：作者提供）
5 T# K4 [& \5 H; A; w: H 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。 * B& K$ S' r, d6 z4 ?
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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; G' ~1 l; \& E9 s/ f △（图片来源：Pixabay）
' t E/ E0 G2 j" n! w: g 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！
- O# e1 t; A/ f4 {) h8 Y3 q- A9 v 海底作业阶段，水声通信再次登场
P' e! Y- `6 D9 [# D+ x 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 ^/ i9 T& I5 Y# a/ E! \ 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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) w) E: a, b- |- Y8 P △“蛟龙”号传回的海底和生物照片 * P9 n/ ] M+ d) i- O
（图片来源：作者提供） + M. C* N/ [8 J: ^
+ n2 g# @* O/ g9 s& \( X1 o △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
% B8 Q& T4 ?: y# e （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 ! X/ [$ F, m" F F6 j% Z2 ^
（煎蛋+炒面，看着就香） 9 y$ U/ [3 A5 a4 x5 e& [
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△（图片来源：央视新闻）
4 Q2 B: }+ j2 H6 X6 O8 `( j' I 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
' x* d$ f. M7 \" F$ B5 c# u2 S 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。 ' T" b$ E9 a+ _( s' `' Q
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△（图片来源：央视频）
+ ^$ r" @0 d" U; b5 o3 a 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ 3 E& G! Z" E; U; x; V+ L8 @. A
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn 6 u, C6 l0 p$ Y/ d9 L0 R2 q1 p
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