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出品：科普中国
& Q! x; P {0 e* b2 H. H p" X1 E 制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
( c. q ^- u+ @& d3 V# k0 f, ]' m 监制：中国科学院计算机网络信息中心
/ y* h5 |1 ~$ d) W. t0 ] 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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△（图片来源：央视新闻） , O3 ?$ I" H' W9 W9 i) r* ^
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？”
& g$ j, J# c; J9 K# X8 j 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。
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△（图片来源：作者提供） ; O% |8 Z% O) k* L: H
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？
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△（图片来源：乐美图）
: F( R; b# B6 M% |6 }+ n 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; J# H. F. N3 J 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 s0 l7 f; e$ Z
今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 & e) t( D2 b* x0 R
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
E* ~1 v2 i- r- U7 h! U% F! l 声学系统有哪些？
5 j0 p" Z2 M5 v7 D" t' p/ 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。 & z( r. k; H; B/ ~# y
[/ o4 J9 t, k9 X0 R △“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图
, N6 k# V; q) G3 m9 d& A7 o （图片来源：作者提供） 6 h* q& B( E7 M3 N( H' T1 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！ ! P8 i+ l4 v& N* ?: Q9 x( ?
入海下潜，水声通信初露头角/ t% s; T9 j3 g' [- E. 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。
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△（图片来源：央视频）
: \# H( K1 M3 l) w$ B7 G A 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）。 , P0 H, i* k3 P( H
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
( ?, ?8 `, B* o& j* p6 b 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道) B O9 j, @* L3 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。 8 f) _1 t* {* v! o& p: H
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 ]1 [' a5 G' U" ~
（图片来源：作者提供） . k' P% d5 _( W) o' U5 d% G
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。 7 c0 E" ]7 m- Z+ a y/ I9 e$ `
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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 ' e2 _! _/ d2 |$ E4 N
（图片来源：作者提供）
7 f. E5 o/ y R0 W* f# I 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。
9 u( l/ x: o8 g5 A% \ 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。 # y3 u( c; D5 o o
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; x- U4 c2 {9 n3 M △（图片来源：作者提供） 2 n! O. f/ y( m+ J8 D) d& {2 m6 X% U
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。 0 ]. u2 P; D5 W& _# e3 K
所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！” * ~/ w2 S/ n9 b4 }
巡航阶段，导航在手不迷路8 v! k( d6 E2 c, d! i* P5 n
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。 ; e& h, {0 R1 e6 f
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。 ( F$ \4 F( y# R2 q) i6 Y9 h- z8 o# k
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△定位声纳测量的潜水器轨迹 " e* O# ^0 Y# _- A
（图片来源：作者提供）
+ Q7 `$ w8 }# P# G! m; z7 I( V 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。 : D. m4 ^' p* q8 U
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） # D2 {, ]# ?. u3 x/ u, o* l2 x
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！
* e3 C" u# c& ^7 o- ~/ S# I: n 海底作业阶段，水声通信再次登场5 ?3 W" u' F6 r6 z! R, |9 d* C3 a
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？
G& ]# {0 H7 w; M8 H* S- a 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！ , n6 U8 o* W: d/ T7 n- P" ~
+ V' s7 c- G5 }6 P △“蛟龙”号传回的海底和生物照片 $ q/ Q H0 q3 U" S; }
（图片来源：作者提供） * |( R% V* c; r$ a
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△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
( m6 V( |. @3 D9 ]* O8 k （图片来源：央视新闻）
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1 X" |" |' M# g5 O6 j \# U △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
* F0 @+ e- m( G& y （煎蛋+炒面，看着就香） V1 O2 T* g$ [8 y& b6 ?: } D
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△（图片来源：央视新闻） + M5 ^3 ?) e; {1 x7 D( ?0 i
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
) s1 Q7 g# H. o2 n: R 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。 ) D9 m# V3 L5 Y, \
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△（图片来源：央视频） 1 r- A3 y2 F* I7 I; {9 m( J2 m6 U
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
6 o4 V5 n$ R) V( H5 W" [( 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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