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出品：科普中国 % @. ]6 P4 U" l2 e6 d
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
* p: ?" z+ l: ^8 k" O 监制：中国科学院计算机网络信息中心
+ f7 }. a$ X4 a; Q7 L; 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。 ( N7 C! P7 s& u( E
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△（图片来源：央视新闻）
# L8 V% ^4 Q, a* X7 J# ?6 a6 S 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？”
; C+ e! K+ ?* O9 ]0 K3 W 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。 8 e, j( {% N7 G6 q" f6 ?/ _
' y/ \, W9 J5 ?2 W$ K( z △（图片来源：作者提供）
8 q2 ~% ?- v( j 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？ I- }: L# k U, ~( ~# w
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△（图片来源：乐美图） 2 u, w6 b/ K' H" K4 z
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。 ' s& a$ P6 P+ I4 O; J1 |
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。 % l# J! C/ y& `: Y" g/ l2 h
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。
) e: V$ N( A2 C 注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ & H& y5 g z! l
声学系统有哪些？
8 [ V" a, }& u* l, \ 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 E' V/ q7 s& Q( |) O6 I6 @
' d0 G+ `% y$ n- G △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图 # [$ X# k4 w' A' F* j/ ^
（图片来源：作者提供）
" {4 q7 I# v ~/ U* Z* m5 |! h 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！
V2 I6 A6 x( O( `8 _ 入海下潜，水声通信初露头角
4 x g4 k2 d! x 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。 4 I: i$ Z; M3 D
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△（图片来源：央视频） 8 ]3 h- Z3 v: U- r- W
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）。
1 g% m# }% r. j 很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
, W. t, t% T- O0 J9 e# ~1 @# q 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道- e& N0 d+ X; i; Q S
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。
2 f8 L: d, H2 Y 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。 ! b* k# y% T1 p b) O
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△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 + F( X0 k2 J0 X+ P3 S: r
（图片来源：作者提供） 5 l& v C7 N2 U5 W9 e
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。 6 u9 U; L- K# ~/ A
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 ) w! @5 z4 o, ?6 H0 G
（图片来源：作者提供）
7 [# {$ m ]5 i5 s- ?! k 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。 % e$ X9 t! \9 L0 {9 O% M/ 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。 9 o1 @7 i9 o6 J; ?& @: |
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△（图片来源：作者提供） & _ t! J7 f3 j4 u! u% f0 R# [# ~" d
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。
3 f, ~( K0 l. F% U c0 \ 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” 2 b- u, F6 J! v; o6 B. O
巡航阶段，导航在手不迷路0 X H* t% a2 U% _0 `
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。
4 L& j, e. y9 s5 w 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
6 c( c% {& l7 @ （图片来源：作者提供） 1 I- b; r, q h9 i8 N. Z
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& N# M0 }8 ]* R5 `
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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3 t* E+ a. m3 U △（图片来源：Pixabay）
; i- ^/ c/ w4 n' J 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！ 7 s6 ~% u7 S5 B1 e* B ` m! [" x
海底作业阶段，水声通信再次登场, j1 r: J; a) |* }7 Q: 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？ $ Q5 f0 }- S, P) B" c3 [5 I9 X
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！ ) _; U9 I+ j* d+ ^' N
8 T- K! ] M3 s' T △“蛟龙”号传回的海底和生物照片
" ^8 T$ {4 K7 h" N （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 " H; h1 f* t% N$ c% O3 B Y! }- u
（图片来源：央视新闻）
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/ S7 {$ _: H3 {* u! F1 N △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 9 e% A: }5 k) x/ e* z i0 w3 [ X
（煎蛋+炒面，看着就香）
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2 E% b0 k" N# M8 }0 i* o △（图片来源：央视新闻）
5 x2 N' {5 M5 [; T: H# H 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
$ }+ ?1 b" }. J' r4 h% @ 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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+ [: x7 O: u$ b( p: I4 ? △（图片来源：央视频）
) ]2 I" E& i" ]) `$ F2 i7 A5 M 现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
) ~; Q! `% R2 J! r 本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn ! K, L/ R- g3 Q( d2 ~4 ]
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