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出品：科普中国
+ k/ D* E+ j1 }2 `! ]$ r6 A 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） 5 a( t+ [7 d. m/ n# I' A% Y/ l3 z
监制：中国科学院计算机网络信息中心
1 h0 X) s$ } a+ c. v$ l 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。
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4 L# _+ Z [' e; H, M" R& A △（图片来源：央视新闻）
; I! e/ }, K3 L; K; D, ~ 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？” ( J2 c" _& x8 J, L& y% q8 u
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。 - |) K1 T( m8 r: G
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△（图片来源：作者提供）
3 J& d5 _- i. _ 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？ * ?4 ?/ D2 g$ o+ F$ B+ Q8 G& S, Q5 y
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△（图片来源：乐美图） 6 v. P9 _, S, ?2 ^; w. 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。 / o% n# Z3 [' H/ [. b
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- }2 ]1 R6 T5 {- g) I: M3 H
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 / t& U+ S# _1 J3 z- |6 R
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ p- l( V0 ~2 q/ N! k0 f, _
声学系统有哪些？
7 @) I5 p0 I! {0 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。 % |+ V0 ~- t( u* b
& J9 |1 q* R8 {, I1 [ △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 ! V. {' n$ |1 r
（图片来源：作者提供） % M8 a. s8 o$ ^5 G6 M# H c$ V0 k$ a2 d
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！ : q6 q& f. c7 `6 x# }8 I
入海下潜，水声通信初露头角( B! i' s, T/ d0 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。 " n7 A: h6 q6 A. F
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△（图片来源：央视频） & [( u" `1 x% N8 m; Y
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）。
* t# n5 m8 Z% l s9 ?6 s8 U/ B, d1 Z! S 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
5 m" g4 e2 m n0 U1 m4 n8 _- f" v; D 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
! X# V* A' z0 s. `) I" F 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。
* Q. J3 v' s5 g& x% Y* j/ X1 ^ 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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: Y2 R8 x! \% O+ k △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
# g% f( h) Q0 s, ` （图片来源：作者提供）
- x% J+ ~, V7 O* h8 N3 K 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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. _6 ? J7 R/ h3 W% m △“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 ' n& y$ S9 T& ~8 ]
（图片来源：作者提供） / }8 s9 }% X5 B
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。 1 N8 m/ f) [2 q0 T2 W# }2 [* G
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）
; K: C- ?+ t, e. ^( @! R! 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。
8 B* Z4 y2 c8 H4 u7 } 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” 9 ~- c9 G+ p; M9 Z0 Z. m* x1 A7 t
巡航阶段，导航在手不迷路- H O3 c; }6 X- S' c; b2 I
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。
/ m$ `* c, a" O7 A/ D( T8 E% E 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
9 Z( Y9 j& X6 i+ _ （图片来源：作者提供）
( y: u, O4 x3 j: T9 @ 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# {( E/ y; n) i7 D
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）。 * V4 F- N/ p5 G5 Z! e+ G4 j
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△（图片来源：Pixabay）
, v# Q8 i9 j( e3 ^' Q/ A7 I0 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！
; Q L3 }6 d6 |$ W; j 海底作业阶段，水声通信再次登场
2 I/ @& H! k" j S 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？
4 r. L3 M: j. |! G7 X& c 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！ " z6 P/ U5 G* ]* U* v
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 % M4 `' Z7 a" s# Y! S
（图片来源：作者提供） 7 p$ D" b: ?# U. N
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 0 t- U6 K* F0 |3 ~8 P+ T3 c+ p
（煎蛋+炒面，看着就香） / n/ H/ n+ R( [/ |) V+ j
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返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金9 g6 v& o6 L0 {/ G* o
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。 z/ n1 [7 Q, I" @0 K. S6 B; b4 n
( b" d% P4 C' ?9 H: r% S/ a( x △（图片来源：央视频）
l8 Y g4 l; ?2 E4 d/ n 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ : y" _* U( p( t
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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