出品：科普中國
製作：李棟（中科院聲學所海洋聲學技術中心）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
2020年11月10日8時12分，繼「蛟龍」號和「深海勇士」號之後，我國自主研製的萬米載人潛水器「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？
△（圖片來源：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
（圖片來源：作者提供）
那麼，他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。
△（圖片來源：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 （圖片來源：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
（圖片來源：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
（圖片來源：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
（圖片來源：作者提供）
△「奮鬥者」號從馬裡亞納海溝傳回的潛航員語音
（圖片來源：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）
△（圖片來源：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。
△（圖片來源：央視頻）
現在，你的潛航員「駕考」必考題是不是能拿滿分了？