2020年11月28日，我國自主研制的萬米載人潛水器“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試勝利返航。在11月10日8時(shí)12分，繼“蛟龍”號和“深海勇士”號之后，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，坐底深度10909米，這意味著中國載人深潛事業(yè)取得新突破，我們可以駕駛潛水器到達(dá)海底世界的任一角落。

　?。?span lang="zh">圖片來源：央視新聞）

　　不過，你有沒有想過，在漆黑一片的海底，我們是如何回答幾個(gè)靈魂拷問的：“我在哪兒？我要怎么走？”

　　在陸地上開車，手機(jī)上隨便一個(gè)地圖導(dǎo)航都可以告訴我們怎么走，走第幾行車道，所以我們一般不會迷路。哪怕方向感不好，真的迷路了，拍個(gè)照片，給親人朋友發(fā)微信或打個(gè)電話，他們肯定會幫上忙。夜晚還可以打開車燈，照亮前方的路。

　　（圖片來源：作者提供）

　　但是到了深海，伸手不見五指，電磁波受海水的吸收影響，衰減特別大。電話肯定是打不了，更別說地圖導(dǎo)航和微信了。而光學(xué)輔助成了“近視眼”，一般是幾十米開外就難以看清了。潛航員怎么才能找到正確的路線呢？

　?。?span lang="zh">圖片來源：樂美圖）

　　不要擔(dān)心，我們還有聲波！聲波在水中傳播時(shí)衰減遠(yuǎn)小于電磁波，成了潛水器的通訊導(dǎo)航利器。

　　中科院聲學(xué)所作為我國載人潛水器聲學(xué)系統(tǒng)的總負(fù)責(zé)單位，從“蛟龍”號開始，就一直為載人潛水器研制必需的聲學(xué)系統(tǒng)，為潛航員安全駕駛提供了可靠的技術(shù)保障。

　　今天我們就來認(rèn)識一下載人潛水器上的聲學(xué)系統(tǒng)。

　　注意，下面開始劃重點(diǎn)，潛航員“駕考”必考題之聲學(xué)系統(tǒng)篇~

　聲學(xué)系統(tǒng)有哪些？

　　按功能來分，載人潛水器的聲學(xué)系統(tǒng)主要包括水聲通信機(jī)、測深側(cè)掃聲納、前視成像聲納、定位聲納、多普勒測速聲納以及避碰聲納等。

　　“蛟龍”號載人潛水器聲學(xué)系統(tǒng)總體布置圖（圖片來源：作者提供）

　　那么，他們各自有什么本領(lǐng)呢？讓我們一起來下潛一次，領(lǐng)教一下就知道啦！

　　入海下潛，水聲通信初露頭角

　　駕駛載人潛水器（以下簡稱潛水器）向海底進(jìn)發(fā)，這個(gè)過程不需要特別復(fù)雜的操作，這時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)中的水聲通信機(jī)發(fā)揮主要作用，負(fù)責(zé)將潛水器的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)（如艙內(nèi)溫度、濕度、溫度以及下潛深度等）回傳至海面母船。

　?。?span lang="zh">圖片來源：央視頻）

　　水聲通信機(jī)是潛水器與母船之間溝通的唯一橋梁。它支持4種通信模式，分別是相干水聲通信（用于圖像等數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸）、非相干水聲通信（用于數(shù)據(jù)和文字等傳輸）、擴(kuò)頻通信（用于惡劣條件下的指令傳輸）以及單邊帶調(diào)制技術(shù)（用于語音傳輸，實(shí)現(xiàn)水下打電話）。

　　很明顯，下潛階段的主要工作模式是非相干水聲通信。

　　到達(dá)海底，“路況信息”聲納一掃全知道

　　在陸地上開車之前，我們首先需要知道前方的實(shí)時(shí)路況。潛水器到達(dá)海底開始作業(yè)之前，也要通過各種聲納“偵察”一番。

　　測深側(cè)掃聲納通常安裝在潛水器的兩側(cè)。測深聲納通過測量海底深度信息獲取潛水器兩側(cè)海底的地形（高低起伏），而側(cè)掃聲納通過感知海底反射聲波來獲取海底的地貌（比如判斷主要成分是巖石還是淤泥、是否有礦）。最終，就可以獲得潛水器兩側(cè)海底的微地形地貌，以及海底和水中的目標(biāo)，探測距離達(dá)200~300米。

　　“蛟龍”號在7000米海底獲取的海底微地形地貌圖（圖片來源：作者提供）

　　前視成像聲納則安裝在潛水器前部，負(fù)責(zé)探測前方的目標(biāo)和海底地貌，最遠(yuǎn)探測距離超過200米。

　　“蛟龍”號坐底時(shí)成像聲納獲取的海底圖像（圖片來源：作者提供）

　　簡單來說，測深側(cè)掃聲納和前視成像聲納為潛航員繪制了方圓200余米的海底地圖，根據(jù)地圖就可以規(guī)劃潛水器的行走路線了。

　　但是這還不夠。開車行駛在公路上時(shí)，我們常會看到 “前方施工，請繞行”“前方隧道限高3米”等提示標(biāo)語。在海底，載人潛水器也會碰到這樣的狀況，誰來提醒潛航員呢？這時(shí)候，避碰聲納開始顯神通了。

　?。?span lang="zh">圖片來源：作者提供）

　　避碰聲納安裝在潛水器四周各個(gè)方向，實(shí)時(shí)監(jiān)測自己到各個(gè)方向障礙物的距離，為潛航員提供“路況”信息，避免發(fā)生碰撞。同時(shí)下方的避碰聲納還可以提供潛水器距底高度數(shù)據(jù)，用于控制定高航行。它的最大作用距離可達(dá)100余米，可以為潛航員在碰到障礙物之前提供充分的規(guī)避時(shí)間。

　　所以，避碰聲納是安全員：“一定要保持安全車距哦！”

　　巡航階段，導(dǎo)航在手不迷路

　　那么問題又來了，在陸地上，想去哪兒都有導(dǎo)航軟件幫我們，告訴我們在哪個(gè)位置、車速是多少、預(yù)計(jì)多久到達(dá)目的地，海底的“導(dǎo)航軟件”是什么？不要慌，定位聲納和多普勒測速聲納來幫你。

　　定位聲納的工作過程是這樣的，母船安裝定位聲納基陣，潛水器安裝應(yīng)答器，它們之間借助聲波互相喊話。母船的定位聲納基陣有很多只“耳朵”，它收到潛水器的喊話后，通過計(jì)算每只“耳朵”與潛水器之間的距離，就可以精確定位潛水器，再把定位結(jié)果通過水聲通信機(jī)傳遞給潛水器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

　　定位聲納測量的潛水器軌跡（圖片來源：作者提供）

　　多普勒測速聲納安裝在潛水器的腹部，它可以利用多普勒效應(yīng)測量潛水器的行駛速度，以及潛水器下方的海流速度。多普勒測速聲納配合慣性導(dǎo)航儀，就可以準(zhǔn)確告知潛航員當(dāng)前潛水器的速度、姿態(tài)和方向。

　　通俗來說，定位聲納告訴潛航員現(xiàn)在在哪兒，多普勒測速聲納告訴潛航員潛水器的速度有多快（千萬不要超速?。?/p>

　?。▓D片來源：Pixabay）

　　依靠它們，潛航員就可以隨心所欲地駕駛潛水器，想去哪兒就去哪兒，再也不怕迷路了！

　　海底作業(yè)階段，水聲通信再次登場

　　當(dāng)潛航員到達(dá)某個(gè)區(qū)域展開作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了罕見的海底生物，拍攝了值得紀(jì)念的瞬間，怎么實(shí)時(shí)分享給在海面上的人們呢？

　　又到了水聲通信機(jī)施展才能的時(shí)候，它的水聲電話功能和相干水聲通信模式支持語音、圖片的實(shí)時(shí)可靠傳輸，這就是妥妥的“水下QQ/微信”呀！

　　“蛟龍”號傳回的海底和生物照片（圖片來源：作者提供）

　　“奮斗者”號從馬里亞納海溝傳回的潛航員語音（圖片來源：央視新聞）

　　“奮斗者”號從馬里亞納海溝傳回的潛航員照片（煎蛋+炒面，看著就香）（圖片來源：央視新聞）

　　返航上浮階段，兄弟齊心，其利斷金

　　根據(jù)測深側(cè)掃聲納和前視成像聲納所繪制的海底地形地貌圖，加上定位聲納、多普勒聲納以及避碰聲納的保駕護(hù)航，還有水聲通信機(jī)和母船的緊密溝通，就可以讓我們的潛水器安全返航啦。

　?。?span lang="zh">圖片來源：央視頻）

　　現(xiàn)在，你的潛航員“駕考”必考題是不是能拿滿分了？