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出品：科普中国
: e) i2 H7 E' r; s" k) J 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心） . v5 H9 n6 e& n3 H; C( x
监制：中国科学院计算机网络信息中心 0 b6 v1 {+ h+ e+ v0 _' N1 D
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。 ! E' I0 Y$ B9 t8 }
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△（图片来源：央视新闻） - _& l: d7 q" W/ `+ w7 v
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？”
! d% I. ]; i) B0 h J7 t; A5 ]8 d 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。 0 @5 e O x$ ^% T0 a4 Q
; P4 b; q6 U& \) l7 C3 V △（图片来源：作者提供） * D8 D6 `: P) y+ ^" l$ |
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% s. W, }! v$ L! \5 b
8 O! j- G# c2 _1 ~1 T c △（图片来源：乐美图） $ ?, _" E0 @6 ?3 z/ m9 u0 P
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。 ( D; w( B4 q, I5 b; i- W3 j( \% z
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。 5 i3 L5 b3 D* R9 { W
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 . i$ ?/ b4 ]& h% X: l0 G1 P
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
2 U9 r( b* d* A k3 \ 声学系统有哪些？9 t0 p \0 X( o' \/ M( j4 J
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
3 c# {7 T2 o/ x r5 |* l6 t3 R （图片来源：作者提供）
! X& W# B% @7 h& m: a/ A. Q3 S 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！ & y0 u- X0 r* F4 C5 b
入海下潜，水声通信初露头角; a; E \& i$ T3 p2 H% D
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。 7 y& t5 f+ \3 Q) L5 Q# {) f! @* Y
+ o. M( n. T! j* I, ` △（图片来源：央视频）
; r! k' G- Y% |! b' P" d 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）。 $ L0 b" [3 [1 R- i; Y: j/ z
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
l# F; R1 F4 k 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道
& Q+ C- m+ E% W0 E w 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。
, M5 p0 q% R5 n) k/ p 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。 " h8 f- U/ [% S
' _8 G0 L: x6 d2 C! i △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 7 d* k' f! P: W3 I" }
（图片来源：作者提供）
8 q: I# J! f6 e& H# d: 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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2 }, m! Q* W. S$ J5 Z- n, f' g △“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 0 {) j( G! p# [) K4 M( v/ d
（图片来源：作者提供）
: {2 F7 p6 e2 H# W. l5 d U: Q 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。 ' x; A6 b/ [3 v
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。 % Y0 g' P; x& N7 k0 ^' T
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△（图片来源：作者提供） - @3 W, J* B# R& N( |. t
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。 ; E ]0 y+ h5 z& j4 ^) Q
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” t$ v2 E6 G+ _1 Y, b o6 ?
巡航阶段，导航在手不迷路! b4 K4 @' G- E7 `. B- g* s7 \" H
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。
c5 h* p0 f: D6 x: u+ v 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 1 v1 z$ H7 |9 A# m
（图片来源：作者提供）
. m9 @, ^% C+ @% }/ o" q 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。 $ Z/ u# v8 S- j+ P _1 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）。
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6 {1 u( y* I( l; @* Y1 u △（图片来源：Pixabay）
2 q$ ^1 N( M( U 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！
5 s0 r7 t/ o1 S 海底作业阶段，水声通信再次登场
+ Q( R6 d3 N. D$ r2 V. X k 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？ 6 f _7 k1 e( S" 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！
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) }0 E- m7 p$ C0 B/ N6 o5 `6 e △“蛟龙”号传回的海底和生物照片
) G g- }0 w i5 p" R- Y) c5 [& q1 k （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 " Q) e2 F3 o& ^ l0 s4 c4 Z
（图片来源：央视新闻）
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( |" R$ A0 j& k; b △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
$ l& t1 X8 E# z4 I8 t! N, X0 Y! ^$ _ （煎蛋+炒面，看着就香） 0 p- [. m# W" [
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△（图片来源：央视新闻） ( d5 E2 m) M5 H$ V) ?1 t# P" Y3 z
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
5 q# a0 H! J# I3 V% z 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） ) s' [( w) ^/ d h: ^/ B) K g
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ * j/ r+ x3 C J* `4 r4 j# y9 s
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn 4 {- S/ f$ Z4 P. D
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