“奋斗者”号胜利返航了！你知道声学系统对它有多重要吗？

出品：科普中国

( }2 n; G3 X' I, @

制作：李栋（中科院声学所海洋声学技术中心）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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。

' Q3 z& o; s! x

△（图片来源：央视新闻）

2 u0 u* k4 Q: E3 L* w8 k

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？”

8 L9 x2 Q2 y1 g, I H: v) E% h- O

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 R+ r: w4 N/ s) A/ b3 ?

△（图片来源：作者提供）

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？

; S1 r, F# ^! ~/ K

△（图片来源：乐美图）

# R3 a: D' t; X, g: ~

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。

9 R7 D; I2 S( i& J4 f

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。

今天我们就来认识一下载人潜水器上的声学系统。

* ]4 M" D1 r8 P0 o) J3 Q9 y

注意，下面开始划重点，潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~

- ]: K5 g0 _6 m1 {

声学系统有哪些？

- f% E! T s/ |" k+ A1 O+ H( \7 K1 k3 Q, d2 g

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。

* y7 v- w: l6 T+ V/ I6 g; o

△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图

( L* S, c6 O* n T

（图片来源：作者提供）

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！

, w- S! \" m& N

入海下潜，水声通信初露头角

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 P4 a! e9 i. d; d. c5 a# S4 B

△（图片来源：央视频）

, j+ @4 x4 z' S5 i

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）。

很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。

到达海底，“路况信息”声纳一扫全知道

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。

3 m0 R, K8 T0 H3 w& a

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。

△“蛟龙”号在7000米海底获取的海底微地形地貌图

: s2 N6 M$ N/ [* d

（图片来源：作者提供）

6 ~, l- ~* ^4 Y) 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。

△“蛟龙”号坐底时成像声纳获取的海底图像

5 e. z( e9 ?; P" N8 g

（图片来源：作者提供）

, s2 ?2 D* K- c9 U g

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。

2 l; Z% a. {* W, F1 E1 {

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。

8 q% t7 |. k! s

4 c+ s, m7 R3 e

! F: D7 ~# ?, \7 X

△（图片来源：作者提供）

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。

& G7 E5 u: F6 m' {- p9 u; L

所以，避碰声纳是安全员：“一定要保持安全车距哦！”

巡航阶段，导航在手不迷路

9 k' \/ F- v/ {9 ]

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。

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。

5 {& ~/ k9 c# |9 L* p3 [' j

△定位声纳测量的潜水器轨迹

- U* w' j% X+ v. Y) {

（图片来源：作者提供）

% V* A X' b- T6 c0 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。

1 W1 y l) e( D' i) h

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）。

6 q( h$ l0 q0 ~% X/ q: i9 }

△（图片来源：Pixabay）

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！

9 t' I- N( r' k: j1 M. }

海底作业阶段，水声通信再次登场

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？

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！

0 Y1 @6 E' {: i! Y3 U

& |. v, f r3 s7 {

△“蛟龙”号传回的海底和生物照片

) u- K7 s7 k& \( t) ~+ j

（图片来源：作者提供）

△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员语音

（图片来源：央视新闻）

$ h3 S+ \. Y9 l. C( b

1 K4 Z5 A+ [& m, x0 `. y

△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片

0 F7 [" y& v$ f. b& S7 w

（煎蛋+炒面，看着就香）

△（图片来源：央视新闻）

& c' h7 F' x6 ~% t( H) l. e

返航上浮阶段，兄弟齐心，其利断金

1 }! w _1 U$ k$ @+ |) _) t5 h5 O6 ]

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。

. Z' K) n- B, i) t8 o9 K

/ t$ h5 f; K* O) a$ w$ a1 L

△（图片来源：央视频）

- |" b4 [% r0 K4 o, r

现在，你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？

本文首发于公众号“科学大院”，转载请联系cas@cnic.cn

, ]7 U. m( ]7 ^1 A 1 G$ L0 ?' l3 b- o' v ! _) V: M/ a. s6 C* Z9 F! t