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出品：科普中国
( C9 `$ N; V& y* I) n) Z' S 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） 4 t8 Y* X% W5 m9 q2 d
监制：中国科学院计算机网络信息中心 6 @2 C4 @0 i2 r) R
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。 # C, O* T( G6 h# @* m" u
* o: z2 m" K1 |+ s △（图片来源：央视新闻）
% H4 {- v0 E( L* Q+ E( W) @ 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？” 2 {. ~) Z; r% y4 R, L8 v
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。 % z% i$ ]- [' Y$ z
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△（图片来源：作者提供） + |0 A# f* j* w9 c" d$ n; B
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？ . x; ~8 ~/ e( P- t" X) f Y
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△（图片来源：乐美图） / n2 | E" o( L7 I/ 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。 ; M4 F- ~6 A- M/ ^4 m+ o" 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。
1 @8 S2 J; T% j7 A0 o: U 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 : ]& \4 S- y+ ~& Q3 a) }2 ]
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
' n3 {( \0 A1 `. q0 v 声学系统有哪些？
& P. @' f+ x( ~+ f+ F* I$ K: } 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。 2 F) W/ Y2 _5 `
0 c6 s% ]' p5 ^4 y8 G △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图
& q) y/ r; g5 z5 h( k5 D （图片来源：作者提供）
4 D* h6 h* o5 A3 M* j- P 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！
1 q+ G" j8 k4 O: i t$ z 入海下潜，水声通信初露头角# o$ q. T9 [, z! G
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。 ( O6 n9 }$ l# {( K: B; c) L, H
! ?& ~$ ?6 v7 O" X! X% G; s/ n △（图片来源：央视频） : w+ G: ?- L$ ^" s8 V7 c9 q% }
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）。 e. w" Y9 f+ v
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 8 d# ~, w2 \$ w0 ^; y
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道$ j o3 k5 s3 x5 ]( s+ E4 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。 7 O6 Z2 Q& c4 W5 d3 i0 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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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图
' b" d7 G3 l- \: f# I （图片来源：作者提供）
3 y* s* X6 Y: O d4 X, b 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。 " t1 W0 _. w" }9 {2 s
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 ! W$ A9 |) F! i4 f4 f _
（图片来源：作者提供）
! J# X5 Z {# F6 Z 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。
3 H! a; J/ N, b' k 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。 N* R, s, C" [* G! q
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, X7 {% w5 s8 n# O2 a △（图片来源：作者提供）
' n5 Z! ? ^2 f4 `4 _* b. v 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。 / @, X- L1 Y; i! S8 }$ S7 Y1 x
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
4 Y) F3 l% f' K4 a7 B& E6 S- V 巡航阶段，导航在手不迷路
9 A" d8 R# p, p) U, 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。 $ P) ~, b( d# _5 ^
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
: x* J: W& A( J1 M* |+ e8 z （图片来源：作者提供）
A* ]- o u/ |$ c# [3 O 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。
$ B9 }' t" l* K( y& m6 Q 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）。 6 O7 Z3 x% e: I/ j
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△（图片来源：Pixabay）
6 n" N2 J: {% U; t5 p; F' 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！ 0 Q8 A; d" H9 {& h7 s
海底作业阶段，水声通信再次登场+ Z# [4 b# {9 K, D- ]# D$ Y3 F6 z4 l! 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？
. }% v; F" ~* |( j$ l/ n7 r% i- B 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！ ' u. l( x4 U; T! w; Z, Q) a
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片
}" N* ?) C7 Q8 W' W, f （图片来源：作者提供）
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0 K+ a) K+ f! i1 L/ [" G △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音 - B. g; Y+ _' Z. b
（图片来源：央视新闻） + S4 F" D% P/ {
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 , g0 D( b! ^9 U( O
（煎蛋+炒面，看着就香） 7 Q" S! `. ]) E) y! G
! J+ M: p- n) n: w+ [- e △（图片来源：央视新闻） $ ?( [* K' ?# W% ?' Y
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
1 E/ {4 j/ K7 a4 }6 T/ H, _; k4 y8 m: 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。
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8 A% p& _2 k! I& `1 c1 s4 { △（图片来源：央视频）
+ S6 \" }- A8 [/ m: C& G9 ^% m# H4 ] 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
4 l% F7 B; b. S( L) B 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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