奮鬥者」號勝利返航了！你知道聲學系統對它有多重要？

2020-12-12 我是科學家iScientist

來源：「科學大院」公眾號（ID：kexuedayuan）

作者：李棟

2020年11月28日，我國自主研製的萬米載人潛水器「奮鬥者」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12分，繼「蛟龍」號和「深海勇士」號之後，「奮鬥者」號成功坐底世界最深處馬裡亞納海溝，坐底深度10909米，這意味著中國載人深潛事業取得新突破，我們可以駕駛潛水器到達海底世界的任一角落。

圖片 | 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靈魂拷問的：「我在哪兒？我要怎麼走？」

在陸地上開車，手機上隨便一個地圖導航都可以告訴我們怎麼走，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，拍個照片，給親人朋友發微信或打個電話，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| 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，更別說地圖導航和微信了。而光學輔助成了「近視眼」，一般是幾十米開外就難以看清了。潛航員怎麼才能找到正確的路線呢？

圖片 | 樂美圖

不要擔心，我們還有聲波！聲波在水中傳播時衰減遠小於電磁波，成了潛水器的通訊導航利器。

中科院聲學所作為我國載人潛水器聲學系統的總負責單位，從「蛟龍」號開始，就一直為載人潛水器研製必需的聲學系統，為潛航員安全駕駛提供了可靠的技術保障。

今天我們就來認識一下載人潛水器上的聲學系統。

注意，下面開始劃重點，潛航員「駕考」必考題之聲學系統篇~

聲學系統有哪些？

按功能來分，載人潛水器的聲學系統主要包括水聲通信機、測深側掃聲納、前視成像聲納、定位聲納、都卜勒測速聲納以及避碰聲納等。

「蛟龍」號載人潛水器聲學系統總體布置圖 | 作者提供

那麼，它們各自有什麼本領呢？讓我們一起來下潛一次，領教一下就知道啦！

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）向海底進發，這個過程不需要特別複雜的操作，這時聲學系統中的水聲通信機發揮主要作用，負責將潛水器的各項狀態參數（如艙內溫度、溼度、溫度以及下潛深度等）回傳至海面母船。

圖片 | 央視頻

水聲通信機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（用於圖像等數據高速實時傳輸）、非相干水聲通信（用於數據和文字等傳輸）、擴頻通信（用於惡劣條件下的指令傳輸）以及單邊帶調製技術（用於語音傳輸，實現水下打電話）。

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時路況。潛水器到達海底開始作業之前，也要通過各種聲納「偵察」一番。

測深側掃聲納通常安裝在潛水器的兩側。測深聲納通過測量海底深度信息獲取潛水器兩側海底的地形（高低起伏），而側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海底的微地形地貌，以及海底和水中的目標，探測距離達200~300米。

「蛟龍」號在7000米海底獲取的海底微地形地貌圖 | 作者提供

前視成像聲納則安裝在潛水器前部，負責探測前方的目標和海底地貌，最遠探測距離超過200米。

「蛟龍」號坐底時成像聲納獲取的海底圖像 | 作者提供

簡單來說，測深側掃聲納和前視成像聲納為潛航員繪製了方圓200餘米的海底地圖，根據地圖就可以規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，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？這時候，避碰聲納開始顯神通了。

圖片來源 | 作者提供

避碰聲納安裝在潛水器四周各個方向，實時監測自己到各個方向障礙物的距離，為潛航員提供「路況」信息，避免發生碰撞。同時下方的避碰聲納還可以提供潛水器距底高度數據，用於控制定高航行。它的最大作用距離可達100餘米，可以為潛航員在碰到障礙物之前提供充分的規避時間。

所以，避碰聲納是安全員：「一定要保持安全車距哦！」

巡航階段，導航在手不迷路

那麼問題又來了，在陸地上，想去哪兒都有導航軟體幫我們，告訴我們在哪個位置、車速是多少、預計多久到達目的地，海底的「導航軟體」是什麼？不要慌，定位聲納和都卜勒測速聲納來幫你。

定位聲納的工作過程是這樣的，母船安裝定位聲納基陣，潛水器安裝應答器，它們之間藉助聲波互相喊話。母船的定位聲納基陣有很多隻「耳朵」，它收到潛水器的喊話後，通過計算每隻「耳朵」與潛水器之間的距離，就可以精確定位潛水器，再把定位結果通過水聲通信機傳遞給潛水器。這樣就可以實現導航。

定位聲納測量的潛水器軌跡 | 作者提供

都卜勒測速聲納安裝在潛水器的腹部，它可以利用都卜勒效應測量潛水器的行駛速度，以及潛水器下方的海流速度。都卜勒測速聲納配合慣性導航儀，就可以準確告知潛航員當前潛水器的速度、姿態和方向。

通俗來說，定位聲納告訴潛航員現在在哪兒，都卜勒測速聲納告訴潛航員潛水器的速度有多快（千萬不要超速啊）。

圖片 | 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！

海底作業階段，水聲通信再次登場

當潛航員到達某個區域展開作業時，發現了罕見的海底生物，拍攝了值得紀念的瞬間，怎麼實時分享給在海面上的人們呢？

又到了水聲通信機施展才能的時候，它的水聲電話功能和相干水聲通信模式支持語音、圖片的實時可靠傳輸，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 | 作者提供

「奮鬥者」號從馬裡亞納海溝傳回的潛航員語音 | 央視新聞

「奮鬥者」號從馬裡亞納海溝傳回的潛航員照片（煎蛋+炒麵，看著就香）| 央視新聞

返航上浮階段，兄弟齊心，其利斷金

根據測深側掃聲納和前視成像聲納所繪製的海底地形地貌圖，加上定位聲納、都卜勒聲納以及避碰聲納的保駕護航，還有水聲通信機和母船的緊密溝通，就可以讓我們的潛水器安全返航啦。

圖片 | 央視頻

現在，你的潛航員「駕考」必考題是不是能拿滿分了？

作者：李棟

作者單位：中國科學院聲學研究所海洋聲學技術中心

本文出品自「科學大院」公眾號（ID：kexuedayuan），轉載請註明公眾號出處。

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  • 「奮鬥者」號勝利返航
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  • 「奮鬥者」號勝利返航
    」號全海深載人潛水器也隨船勝利返航。自10月10日起，「奮鬥者」號遠赴馬裡亞納海溝開展第二階段萬米海試，成功完成了13次下潛，其中8次突破萬米。11月10日8時12分，「奮鬥者」號在馬裡亞納海溝成功坐底，創造了10909米的中國載人深潛新紀錄，標誌著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。
  • 地球有個巨大地下海洋!尋找地下文明,「奮鬥者」號勝利返航
    在2020年11月10日8時12分，我國全海深載人潛水器「奮鬥者」號在馬裡亞納海溝成功坐底，深度10909米。馬裡亞納海溝被稱為「地球第四極」，水壓高、完全黑暗、溫度低，是地球上環境最惡劣的區域之一，其最深處接近11000米。面對惡劣的海洋環境，都義無反顧地投身到海洋中去探索。
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    中新網北京11月28日電 (記者 孫自法)中國圓滿完成載人萬米深潛海試任務的「奮鬥者」號全海深載人潛水器，28日順利返航三亞。中國科學院多個參與「奮鬥者」號研製和海試任務的研究所接受媒體採訪稱，聲學系統實現完全國產化、萬米級浮力材料自主研製等系列關鍵技術突破，為「奮鬥者」號實現載人萬米載人深潛發揮重要作用。
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  • 創造中國載人深潛新紀錄的「奮鬥者」號勝利返航
    新華社三亞11月28日電（記者趙穎全、陳凱姿）28日8時30分許，隨著一陣汽笛聲響，在「地球第四極」結束科考任務的「探索一號」科考船在三亞靠泊下錨，成功實現10909米坐底紀錄的「奮鬥者」號全海深載人潛水器也隨船勝利返航。
  • 「奮鬥者」號身上的「黑科技」
    11月28日，「奮鬥者」號載人潛水器深海試驗返航儀式在海南三亞舉行。這位凱旋的「奮鬥者」受到了熱烈歡迎。「奮鬥者」號怎麼這麼牛氣，能夠「一口氣」下潛到海底10000多米？它到底穿著什麼樣的裝備，才能不懼海底高壓、高腐蝕的極端環境？在深潛地球最深處時，3位潛航員還向全國觀眾分享了他們的心情，又是怎樣做到的？
  • 解密丨「奮鬥者」號「一口氣」下潛到海底10000多米!它靠什麼?
    「奮鬥者」號的「大腦」由中國科學院瀋陽自動化研究所精心打造。深海一片漆黑，地形環境高度複雜，「奮鬥者」號的「大腦」必須得實現高精度航行控制，不然就可能有「觸礁」風險。中國科學院瀋陽自動化研究所研究員、「奮鬥者」號副總設計師趙洋說。同時，研究人員還為「奮鬥者」號裝上了一雙高度靈活有力的「手」。「潛水器使用了我們研發的兩套主從伺服液壓機械手開展萬米作業，每套手有7個關節，可實現6自由度運動控制，持重能力超過60公斤，能夠覆蓋採樣籃及前部作業區域，具有強大的作業能力。」
  • 「奮鬥者」號，了不起
    外觀酷似一條綠色大頭魚的「奮鬥者」號，是國際上首次可以同時搭載3人下潛的萬米載人潛水器。本領如此高超，要歸功於它有著一顆強大的「中國心」，在多個關鍵技術和重要材料領域，擁有很高的國產化程度，核心部件國產化率超過96.5%。
  • 中科院在「奮鬥者」號研製和海試中發揮核心關鍵作用
    11月28日，「奮鬥者」號全海深載人潛水器圓滿完成萬米深潛海試任務，返回三亞。　　「奮鬥者」號全海深載人潛水器是「十三五」國家重點研發計劃「深海關鍵技術與裝備」重點專項的核心研製任務。2020年10月10日，「奮鬥者」號從海南省三亞市崖州灣南山港碼頭啟航，前往西太平洋馬裡亞納海溝海域實施萬米深潛試驗任務。
  • 哈工大技術成果成功應用於「奮鬥者」號
    11月28日，我國「奮鬥者」號萬米全海深載人潛器成功坐底馬裡亞納海溝10909米深海後勝利返航。「奮鬥者」號的關鍵部件深海電機及其驅動控制系統由哈爾濱工業大學電氣學院特種電機研究中心研製。針對「蛟龍」號深海載人潛器的需求，團隊面對巨大的技術挑戰，進行7000米深海電機技術攻關，實現了我國深海永磁電機技術的突破。
  • 中國成功挑戰海洋最深處:勝利返航
    ——「奮鬥者」號標註中國載人深潛新坐標新華社記者張泉、董瑞豐、趙穎全、陳凱姿海南三亞，南山港。28日8時30分許，一陣汽笛聲響，創造了10909米中國載人深潛新紀錄的「奮鬥者」號，完成第二階段海試，勝利返航。1個多月時間，累計完成13次下潛，其中8次突破萬米。10909米的紀錄，讓人類在大深度載人深潛領域有了新坐標。
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    28日8時30分許，一陣汽笛聲響，創造了10909米中國載人深潛新紀錄的「奮鬥者」號，完成第二階段海試，勝利返航。1個多月時間，累計完成13次下潛，其中8次突破萬米。10909米的紀錄，讓人類在大深度載人深潛領域有了新坐標。海底1萬米的世界，有多大魅力？中國的深潛勇士們，經歷了怎樣的艱險？載人深潛精神又將如何助力中國勇攀深海科技高峰？
  • ——「奮鬥者」號標註中國載人深潛新坐標
    ——「奮鬥者」號標註中國載人深潛新坐標新華社記者張泉、董瑞豐、趙穎全、陳凱姿海南三亞，南山港。28日8時30分許，一陣汽笛聲響，創造了10909米中國載人深潛新紀錄的「奮鬥者」號，完成第二階段海試，勝利返航。1個多月時間，累計完成13次下潛，其中8次突破萬米。10909米的紀錄，讓人類在大深度載人深潛領域有了新坐標。
  • 江蘇特檢院 助力「奮鬥者」號成功下潛萬米
    江蘇省特檢院的檢驗人員在演示對「奮鬥者」號的檢測。記者 金磊 攝 晨報訊（通訊員 丁梅 南京晨報/愛南京記者 金磊）中國研發的萬米載人潛水器「奮鬥者」號成功下潛萬米，其中離不開一群江蘇工匠的檢測、支持。
  • ——「奮鬥者」號標註中國載人深潛新坐標
    28日8時30分許，一陣汽笛聲響，創造了10909米中國載人深潛新紀錄的「奮鬥者」號，完成第二階段海試，勝利返航。　　1個多月時間，累計完成13次下潛，其中8次突破萬米。10909米的紀錄，讓人類在大深度載人深潛領域有了新坐標。