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' W2 l9 Q) g; K( ` 出品：科普中国
6 K5 \: I$ y7 B 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
+ a( |" p% Y0 l. h( c 监制：中国科学院计算机网络信息中心 # P6 v1 K6 k5 R" V0 G$ c
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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B2 z( M) O' r) y: t △（图片来源：央视新闻） ! B1 d3 ]2 S1 C, ~
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？”
1 N& g2 C! Q+ B4 r& g 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。 + D/ k$ l- ~( X2 V8 |
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△（图片来源：作者提供）
- W1 `8 J) D3 Q, K! S7 a, R# P3 K 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？ E" y6 {; W4 @9 ]. ], W+ }
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△（图片来源：乐美图） % Z# y* ]( W+ 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。
& F0 E% j2 W$ Z: t 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。
" r7 T' b/ Y6 w" X. N* N) {* } 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 ( P$ F* g) i0 C, ?
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
+ [1 P, ^6 ^) T% B; ? [ 声学系统有哪些？9 m* z7 p1 O& Y4 u. ^2 i
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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`# M: {1 c! a/ r! R# C △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 " x( H _0 t1 x, q% p
（图片来源：作者提供） . ?( |8 | C7 W& Y9 ^6 I
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！
0 x7 e6 V, M/ q y1 R3 n& Z 入海下潜，水声通信初露头角
( `4 H; P% l; ~8 V4 c( E( ? 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） # z* \* W& x% ^0 ]+ S
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）。
: F2 `' o8 Q w4 o5 V5 r 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 2 _; Z; ?& k0 G4 w
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道- W1 y; B8 D1 M4 _3 k1 A% ^
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。 ) k# g H% b6 g$ w
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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! ^1 B7 E$ r% m. G, b! \ △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 9 t7 Q" U* {( d- i. G
（图片来源：作者提供） 4 Y2 ~, D# i. C7 R) D/ W
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。 0 ^2 E2 f) |+ D3 I* P0 m6 w+ `
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
4 ?4 v {9 O3 B, p; M$ n （图片来源：作者提供） 0 m6 R$ `$ ^9 o0 q9 B: 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。
0 p6 n6 ^' q; Z+ [: K' G7 N 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。 7 N" x, w% ]* M8 F- w N
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; ^5 R0 l% W+ M: O0 E- A) V △（图片来源：作者提供）
# Y2 s9 h: l- 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。
% }' ]& G; q7 H: t5 p* |* K# @ 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” 7 J& {6 J( `8 S
巡航阶段，导航在手不迷路( e3 T3 v% R; a% a4 t
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。
l8 P7 c& C! U1 l, 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。 " _2 m# `$ h1 h$ G& B- X" v
+ W5 |% G8 k k. M' M2 K △定位声纳测量的潜水器轨迹 4 M0 O2 A$ G' O# D
（图片来源：作者提供）
0 E1 C0 e- W5 _7 I6 L, m 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。
1 K7 O: r6 ^1 r4 ~4 M( h8 @ 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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/ R: i- u4 Q, W △（图片来源：Pixabay）
) D, r+ R' D+ m: 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！
4 U5 ]; R6 I5 X. m5 [ 海底作业阶段，水声通信再次登场
7 D. P% M7 x* N& b! y! H 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 w! z- A' _2 i2 B# G 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！ ' z1 N+ A0 m2 E; P5 u
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片 % Z- |6 ~2 d2 G. \) O- L2 J, `0 c
（图片来源：作者提供）
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音 * F. z, V) f4 O& |7 y: f0 R: z
（图片来源：央视新闻）
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/ l( s9 d7 o3 G/ Q2 M( ^* ]& ~ △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 % [9 ^4 W6 n3 j4 P( ~0 x
（煎蛋+炒面，看着就香）
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△（图片来源：央视新闻）
- L$ |. G5 \) t 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
. y: I. d' H# c+ r: 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。
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△（图片来源：央视频） 4 g1 d5 l# A# Y2 O% Q0 K2 H
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
/ N" A; l4 r+ E, ]" H$ l+ I& [ 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn , X [6 i) a+ u) R" o( f0 F8 _
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