出品：科普中国
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 。
【水声通信|“奋斗者”号胜利返航了！你知道声学系统对它有多重要吗？】△（图片来源：央视新闻）
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？”
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 。
△（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？
△（图片来源：乐美图）
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 。
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 。
注意 ， 下面开始划重点 ， 潜航员“驾考”必考题之声学系统篇~
声学系统有哪些？
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 。
△“蛟龙”号载人潜水器声学系统总体布置图
（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！
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 。
△（图片来源：央视频）
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 。
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
（图片来源：作者提供）
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
（图片来源：作者提供）
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 。
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 。
△（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 。
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
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 。
△定位声纳测量的潜水器轨迹
（图片来源：作者提供）
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 。
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） 。
△（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！
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！
△“蛟龙”号传回的海底和生物照片
（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）
△“奋斗者”号从马里亚纳海沟传回的潜航员照片
（煎蛋+炒面 ， 看着就香）
△（图片来源：央视新闻）
返航上浮阶段 ， 兄弟齐心 ， 其利断金
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 。
△（图片来源：央视频）
现在 ， 你的潜航员“驾考”必考题是不是能拿满分了？
推荐阅读
- 快报|“他，是能成就导师的学生”
- 技术|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- bug|这款小工具让你的Win10用上“Win11亚克力半透明菜单”
- 重大进展|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 精度|将建模速率提升10倍，消费级3D扫描仪Magic Swift在2021高交会大显“身手”
- 四平|智慧城市“奥斯卡”揭晓！祝贺柯桥客户荣获2021世界智慧城市治理大奖
- |南安市司法局“加减乘除” 打造最优法治营商环境
- ASUS|华硕预热ROG Flow Z13：称其是“全球最强悍的游戏平板”