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“奋斗者”号胜利返航 声学系统对它有多重要?

  11月28日,我国自主研制的万米载人潜水器“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试胜利返航。在11月10日8时12分,继“蛟龙”号和“深海勇士”号之后,“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。

  

  (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?

  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)。

  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?

文章来源于互联网中科网:“奋斗者”号胜利返航 声学系统对它有多重要? 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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