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' V1 m% O6 K; P& z z+ Y. q 出品：科普中国 & v" S# Z: j* h0 J- W' e- N6 v
制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）
3 ^1 i! R1 h5 R# j. d0 { 监制：中国科学院计算机网络信息中心
, g/ S. ~" ~3 Q/ A1 ]9 O 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。 ; q1 R# _% M8 X5 \
2 ?8 `0 e( Q! V8 C# R △（图片来源：央视新闻） ' N% N9 i4 k0 c5 f2 o) A( n: M
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？” # U% I B9 L$ w# G- N
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。 " c6 K+ a' p ?$ S, O
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△（图片来源：作者提供） 5 K: T# b: ]& e) T x7 O
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？ % c" o8 e: J! d5 G) Z
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△（图片来源：乐美图） 1 q* Y6 J7 m H
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。 ' X% Q. w' y) D1 N: d
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。
, @4 V9 ?8 [5 h) S" ? x 今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。 , b% L% N3 o& L
注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
; s, T1 t$ a; z7 n0 T- ^' c2 w 声学系统有哪些？( H, `1 ~1 `8 `+ i7 s. |
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
* r. |$ d% m* }9 h3 b2 }, i7 v' A. y （图片来源：作者提供）
8 M9 j* R/ t! S$ m" w' 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！ * k R$ b; R" h5 C5 h
入海下潜，水声通信初露头角
3 e; ]; y! j' S7 s6 j# j! z) \ 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）
& e2 q- f; X, u' Z 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）。 % i& m" I3 J4 h) F* e* U* F$ q+ f6 H" b
很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
) w) ?! \7 G2 H& p8 q 到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道' q j! D, x& Z
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 D X! m* w2 n' _7 ~% `6 z 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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; j; k7 r; M% {8 p* _8 i) j' o △“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图 - c1 Z( E1 B: V* C# \8 o
（图片来源：作者提供）
2 b- L9 n* \% a 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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△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像 # Y& b( M& A4 J/ {: P5 d% |, x
（图片来源：作者提供） . G( M0 y+ n# n( B/ x$ `/ }
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。
& o- e* W: {# P, s 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。
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△（图片来源：作者提供）
7 [, B7 e. Q3 z b$ v; L 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。
' A9 ]# `) a: f9 n, _# m 所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”
: g, [0 |) k8 g0 b8 r3 z* U% D 巡航阶段，导航在手不迷路. O6 r7 C$ d3 e- [' t, V
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。 9 P, x g& l e' m
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。 % U- | ?0 ~( C" u+ G4 T
( M, C& @" u; ^ △定位声纳测量的潜水器轨迹 " R' t' x$ s! [' D
（图片来源：作者提供） 6 D# f. }8 u/ G3 e$ T8 _ ^
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。 * J/ K# S4 A/ O# P7 O
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）。 , C7 p3 W+ D" [0 v+ z+ l% {
" u' e. B. l+ b2 @, s5 |8 P ] △（图片来源：Pixabay）
! T( N; O R( q1 s 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！ $ E/ B0 B3 j5 Y9 d; I5 Q
海底作业阶段，水声通信再次登场
8 O: `5 a8 [( f0 [$ ? 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？ 3 K4 N; a7 L h0 H
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！ 9 ?9 ~' x* L0 M) A, K2 U+ B
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△“蛟龙”号传回的海底和生物照片
- o% e7 }- P+ m （图片来源：作者提供） # {$ G( e) C4 A* h) D
8 F8 f* s5 ^/ G5 [* c △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音
8 ?- n; F+ r* H) H: o （图片来源：央视新闻） 9 p6 E# j4 x; T$ U9 H$ u; z
) I U+ O; }6 b3 G4 f) [1 V1 I △“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片 / Q j( Q+ X# c* `& l S* S
（煎蛋+炒面，看着就香） # b/ k' c) s* c2 ?3 \+ s# X- P
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△（图片来源：央视新闻） . L+ H6 G' x7 j2 t" T' L
返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金
8 F$ V5 s* T+ Y2 M! s 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） : l ]. S" I* p$ [5 n4 c8 @& @
现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？ . i0 y+ _ H: W7 q& f
本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn
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