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出品：科普中国 " Y, o/ @% [. y+ d! ?3 X
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） 6 \. w) N/ [' }+ n8 v' o; J( {+ z
监制：中国科学院计算机网络信息中心 5 C; M0 J9 k3 C: z. K/ q
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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0 _2 O* s3 o* }$ R △（图片来源：央视新闻） ( S/ h5 w$ f5 R5 k# c: N) p' U
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？” 9 }9 ?% H8 M" ]- [3 k
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。 - V1 ~ B0 d; u0 k8 ^3 B' H
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△（图片来源：作者提供）
% p& w ]4 h2 I. E7 J$ a# N S 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？ 1 o$ h3 t5 {, H& Y8 Q1 i) q
8 u# ~7 x* x! r* ]( j △（图片来源：乐美图）
! h" B& k# {- d: x% x2 B2 z6 D; G: I 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。 3 c0 D. u* [% G5 U* @4 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。
% ?% V9 ]; P5 f3 J' @/ P8 `5 r 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 3 \$ p# K$ _" {8 j0 r4 S, @
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~ + X2 F% m8 |2 Z! }
声学系统有哪些？$ \" s3 n: J$ i3 Y+ Q- F& P
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 . u4 L9 L! b) U) [* x
（图片来源：作者提供）
" e& K3 e1 A# s# r- l0 U$ |& g 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！ ; i9 q- E) h" e/ M& }! Q
入海下潜，水声通信初露头角
0 {& C( d3 W, S+ W 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。 - U- x% j9 J% L) E5 ]7 e
- d5 L! g$ }# o/ v" ^ △（图片来源：央视频）
& }+ I6 e( Q" s7 t1 k 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）。 v3 e1 K y. l# }3 k
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。 $ H0 N; R1 G$ [
到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
8 X& N; W2 g" S' B1 h 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。 0 _' Z6 U- x6 u) o
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 . J0 X5 O. s/ N0 }5 I% O+ n
（图片来源：作者提供） 6 @( W, g) i; A4 B8 m4 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。
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7 t3 r2 F8 N' X: W0 w8 w+ C △“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像
( a' u0 v% U+ }* D （图片来源：作者提供） 9 Q1 E8 r- N3 c- M8 m n
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。 . n5 R f9 f2 w
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。 " h! T0 J& W* n, i
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$ o% G R3 V; x0 F8 y) d' | △（图片来源：作者提供）
) I! r g1 T1 w5 a6 ? @5 c 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。
1 t0 g- F1 v% h0 H 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
; s, S1 ]+ L% }( u 巡航阶段，导航在手不迷路4 S9 A/ [/ U/ _9 s
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 F6 k3 a3 j7 x5 P+ o# `8 i
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。 + g, e5 N8 I! n: A% D: F) F
V7 q. Y4 ]$ r( X △定位声纳测量的潜水器轨迹
& i8 c. c. \2 T+ o) r' B6 B （图片来源：作者提供） 4 B" I$ Q9 E$ r" {2 k, ~4 `
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。
/ a/ h* K( w5 w2 Y 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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△（图片来源：Pixabay）
2 z1 n' U& e1 j9 m- R 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！ + n- G( _8 O6 r
海底作业阶段，水声通信再次登场" y8 ~% m8 X% \/ U, P! s. i* 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？ : y4 B7 H1 Z1 T! 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！ $ U0 W/ e: n8 y! {: f" G K2 Z
. n& q; ]" f7 h △“蛟龙”号传回的海底和生物照片 ' X7 r7 ~* D# o1 W8 O
（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
! Z" }! m0 \- s5 \ ^+ Y$ g （图片来源：央视新闻） 5 Y3 H0 {" O/ v4 w
' q3 o7 T1 K$ U- l$ a+ L △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
* n3 D3 h, n+ H( L! j n （煎蛋+炒面，看着就香） ' d/ v& U( w* w# |# s3 T
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△（图片来源：央视新闻）
x3 _& m# t- m1 Q/ _( A 返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金, }5 R! E7 Z6 I. n7 m! p2 ~7 I9 u" n
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） . {+ ?5 Y: N" z. l$ S8 P4 q
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ 5 q7 p8 Q! K8 H+ d9 T3 {) u4 `& i
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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