声学系统助力“奋斗者”号胜利返航 小小声纳本领大
- 2020/12/23 10:51:15 27248
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表产业】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。
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。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。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。
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。那么，他们各自有什么本领呢？
驾驶载人潜水器向海底进发，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。
水声通信机是潜水器与母船之间沟通的桥梁。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。很明显，下潜阶段的主要工作模式是非相干水声通信。
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)。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。
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，远探测距离超过200米。
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。
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。
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。
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。
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。
资料来源：声学研究所
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