声学系统实现了载人潜水器的水声通信、定位导航、精细探测等十分重要的功能。同时，科学家为载人潜水器量身定制的数字水声通信系统，可以准确高效的实现自主的数据交互。载人潜水器的声学系统具体有哪些作用？研制过程中又遇到了哪些困难？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院声学研究所高级工程师刘烨瑶演讲实录：
大家好，我是刘烨瑶，来自中国科学院声学研究所。非常高兴能够来到格致论道的舞台向大家介绍载人深潜，并分享一些我的小故事。今天我分享的题目是《载人深潜》。
大家都知道，米是去年我国载人潜水器“奋斗者”号完成的海试中下潜的最大深度。这个深度是我国载人深潜的新纪录，也是很有可能不会再被打破的记录。下面请大家听一段来自于万米海底的声音。
这段声音是由我们的潜航员通过水声通信将他的语音传到母船上的。这段距离有多远呢？有12公里，大约是北京市从北二环到南二环之间的距离。
其实，语音通信只是载人潜水器声学系统实现的众多功能之一。声学系统就像载人潜水器的耳朵、嘴巴和眼睛，它实现了“奋斗者”号载人潜水器的水声通信、定位导航、精细探测等非常重要的功能。
从“蛟龙”号到“奋斗者”号
我从事载人潜水器声学系统研究的工作已经15年了，非常有幸参与了我国三台载人潜水器“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号的研制和实验。
“蛟龙”号（左）、“深海勇士”号（中）和“奋斗者”号（右）
大家最为熟悉的可能是“蛟龙”号，因为它是我国第一台载人潜水器，实现了我国载人深潜从0到1的突破。当时“蛟龙”号载人潜水器下潜的最大深度是米，也是当时世界上所有的作业型载人潜水器里下潜深度最大的。
“蛟龙”号和勘察的海域
“蛟龙”号在年立项，年完成了米级的海试，到现在大约将近20年的时间。我们去过太平洋、印度洋，进行矿区、资源的勘探，还有地质、生物等方面的科学研究，为我国做出了很多贡献。
完成“蛟龙”号的海试之后，我们整个载人深潜的团队就开始了“深海勇士”号的研制。
“深海勇士”号
“深海勇士”号是一个最大下潜深度为米的载人潜水器。很多人肯定会有疑问：为什么下潜的深度反而更小了？其实在“深海勇士”号的研制过程中，我们完成了众多关键装置的国产化研制，也就是把载人深潜的关键技术掌握在了自己手里。
我记得在年的时候，我们在海上开展了一个声学系统的实验，当时有一个从国外采购的设备出现了一些问题。我们就通过代理商询问国外的厂家，厂家三天之后才给我们回复，告知我们说设备的工程师去度假了。在度假期间，他是不会为我们做这些工作的。
于是，我们只能等，等了大约一周的时间，设备的工程师回来了。他表示可以帮我们分析问题，但他有个要求，就是必须要来现场解决。于是，我们又需要等待他，等他到达现场，又大约花了半个月的时间。
其实，他只来了三天的时间。我算了一下，他三天的食宿、机票花费，还有他高达上千美元的差旅补助，基本顶得上我当时一年的收入了。
但这不是最要紧的，最要紧的是我们的实验因为他停滞了两周。在这两周内，我们一船将近个人只能等，没有任何办法。所以，在那个时候，我们就意识到把核心技术掌握在自己手里是多么重要。
“深海勇士”号国产部件
在“深海勇士”号的研制过程中，我们把载人球壳、推进器、机械手这些非常关键的核心部件都实现了国产化。最终，“深海勇士”号的国产化率达到了95%。
在年完成“深海勇士”号的海试之后，我们整个团队又转入到“奋斗者”号的研制过程中。
“奋斗者”号
“奋斗者”号是我国十三五重点研发计划“深海关键技术与装备”专项支持研制的。科技部为这个专项设立了19个项目，由中国船舶集团所牵头全海深载人潜水器总体设计集成与海试项目，由中科院沈阳自动化所承担控制系统的研制，声学所承担了声学系统的研制，深海所承担了海试子课题，并作为业主单位参与了“奋斗者”号的海试，还有金属所承担了载人球壳的研制，理化所承担了浮力材料的研制。这些重要系统和装置的研制，中国科学院承担了很大一部分。
全国大约有百余家科研院所、高校和企业的上千名科研人员都参与了“奋斗者”号的研制。最终，“奋斗者”号的国产化率到达了96.5%。
最深点米
去年，我们在马里亚纳海沟完成了万米级的海试，最大的下潜深度到达米。这也是我们在海底看到的、找到的最大的深度。
潜水器为什么要用水声通信？
下面这张图是我在潜器里通过观察舷窗用手机拍摄的一张海底的图片。
大家可以清晰地看到，离潜器很近的地方，岩石和海底都是非常清楚的。潜器的左前方有一只比较漂亮的红色生物，已经看不出来它是一只小鱼或者是小虾了。再往前大约10米以外的地方，我们看到的东西就逐渐变得模糊。为什么？因为可见光和电磁波在海水里的衰减非常快，所以我们潜水器的通信定位和探测等技术都必须依靠声学手段来实现。
声学系统组成：母船部分（左）、潜水器舱外部分（中）和潜水器舱内部分（右）
声学系统其实是一个比较复杂的系统。如果从位置上分，它可以分为母船部分，即“探索一号”；还有潜水器的本体部分。本体部分又可以分为潜水器的舱外和舱内部分。“奋斗者”号的本体共有9种18部声纳，共同组成了声学系统。
声学系统：潜水器的耳朵、嘴巴和眼睛
如果从功能上来讲，声学系统就像是潜水器的耳朵、嘴巴，提供定位与导航，类似于汽车的倒车雷达、测速仪这样的设备。
声学系统的工作机制
上图是水声通信系统的工作机制。在万米的海底手机是没有信号的，我们也不能通过一根连接母船的线缆来进行通信。大家可以试想一下，如果通过缆，1万米的缆在水中会受到很大的洋流的力，那么潜水器的定点作业和航行就会受到很大影响。所以，这个时候我们必须通过水声来进行通信。
如何实现水声通信？
水声通信就是载人潜水器与母船之间唯一的沟通桥梁。简单来讲，就是把我们需要传输的信息，包括文字、语音、图像、数据，编码调制后通过一个叫做换能器的设备进行发射。在另一端进行接收的整个过程是相反的，进行解码和译码，最后显示在计算机上。
我提到了一种每个声纳设备都会有的装置，叫做换能器。大家可以看到上面最右侧的两张图片就是换能器，右上图装在船的肚子底下，右下图装在潜器的背部。通过这样的设备，我们实现了母船与潜水器的通信。
左边这张图是母船上显示终端的对话框，我们可以通过这个对话框接收和发送文字、语音和图片信息。其实大家可以想到，这和我们手机里常用的某个软件是非常相似的。其实水声通信最重要的事情不是传输文字、语音和图片信息，而是传输潜水器和母船的关键数据。
虽然语音传输是一个非常方便、便捷的手段，但是请大家设想这样一个场景：我是“奋斗者”号的潜航员，拿着麦克风向母船汇报“现在‘奋斗者’号距离高度米，深度1万米，电池电量剩余70%，舱内的氧气浓度21%”。我只简单地说了三四个参数，可能就花费了很长时间。如果我把上面屏幕上所有的参数都向母船汇报一遍，估计10分钟也说不完。
这时，我们就为载人潜水器量身定制了一套数字水声通信系统，它可以实现自主的数据交互，把所有的关键数据非常准确、高效地与母船进行沟通。那么，母船显示的东西就是完全正确的，而且非常具有时效性。
我们在“蛟龙”号就开始使用这套高速数字水声通信设备，“蛟龙”号是世界上最先开展、最先采用数字水声通信的载人潜水器。
在去年的海试当中，我们的水声通信实现了大约12.8公里的最大通信距离，性能指标也是国际领先的。
虽然我们的成果非常显著，但其实在研制过程中道路还是非常曲折的。我记得在年的时候，“蛟龙”号第一次在南海开展下潜实验。为了潜水器和人员的安全，当时制定了一个下潜的规程：必须要建立水声通信才能开始下潜。如果没有建立水声通信，潜水器是不能开始下潜作业的。因为我们也顾虑到潜水器是第一次远离母船下潜到海底，所以“蛟龙”号是绝对不允许失联的。
由于当时水声信道和噪声的原因，水声通信迟迟没有正常建立，全船人对我们的关心也都变成了对我们的压力。“蛟龙”号脱离当时的母船“向阳红09”一开始的几个潜次是我下潜的，我的压力也非常大，因为能不能下去就看我能不能建立好水声通信。
但遗憾的是，当时在水面上漂了两三个小时，我们仍然没有把通信建立好。所以，那次下潜只是在水面上漂，并没有真正地下去。
我记得当时舱内的温度是三十八九度，湿度也有百分之七八十。在这样的条件下，我竟浑然不觉，而且觉得时间过得飞快。我只觉得自己干了一小会活儿，就收到了母船的命令：“既然没调好，那你们就上来吧。”于是就把我们捞上来了，所以当时也非常遗憾。
后来，通过多次的下潜和在母船上的调试，我们把数字水声通信与刚才我讲的语音通信相集成，采用这样一种方式解决了问题。于是，“蛟龙”号才迈出了下潜的第一步。
声学系统不仅能通信，还能为潜水器保驾护航
我们还有种设备叫做测深侧扫设备，它的功能是对海底的微地形地貌进行探测。
探测海底地形和地貌
大家可能看过海里的等深线图，通常等深线图可能是几十米一格，即它的分辨率只有几十米。这是什么概念？也就是假如海底有一座6层的楼房，大约高20米左右，在这种等深线图上是完全没有反应出来的。而我们的潜水器在水下通过测深测扫声纳，就可以实现对潜水器走过地方的两侧进行精细地探测。
我们获得的海底地形图
大家从上图可以看到海底地形的起伏，其中右图中的标尺是两米，所以非常小的起伏我们也可以探测得很清楚。
说到对海底的探测，我们再来看前视成像声纳。它相当于人类的眼睛，大家可以看到它安装的位置在潜水器的脑门上。
为什么要有这个声纳？刚才我讲过，在水下即使灯光非常强，能看到的距离也就是十几米，不会更远。那么，前视成像声纳就实现了潜水器的超视距探测。
比如，去年我们在下潜的时候，要找一个叫做“沧海”号着陆器的目标物。通过潜水成像声纳，我们在多米的距离上就清晰地探测到了它。
而且，大家知道马里亚纳海沟的两侧都是非常陡峭的海山。“奋斗者”号在海山这种复杂地形的航行当中，也是通过前视成像声纳对前方海山的距离和轮廓进行实时探测，为潜水器在水下航行和作业的安全提供了保障。
声学系统还实现了载人潜水器的定位和导航。因为在水下没有卫星定位，所以必须要依靠声学定位。我们通过在下潜之前设备的标定实验，使声学系统可以输出非常精确的前向速度、侧向速度，以及对潜水器非常关键的横摇、纵倾和艏向这些姿态数据。通过将定位和多普勒测速仪、惯性导航设备进行组合来导航，我们就实现了在万米海底的大海捞针。
去年“奋斗者”号两次成功地回收了之前在海底布放的一些科学装置。大家都可以看到，我们通过定位和导航，半个小时就回收了目标物，极大地提升了潜水器的工作效率。
做国际水声大合唱队伍的指挥者
下面我想讲讲我的感想。其实“奋斗者”号的名字与我们的工作以及工作精神都很贴切。在奋斗的过程中，有些事情是非常困难的，但是我们后来回忆起来还是非常甜蜜，因为我们觉得我们的奋斗是值得的。
这是我在做实验的时候拍的一小段视频，是我们年在千岛湖开展的一次湖试。千岛湖在浙江，当时是12月份，浙江地区下这么大的雪是非常难得的，但也被我们遇上了。我们就坐在小船上，要把重80公斤的设备靠人力布放到湖里，然后再把它拉上来。当时湿冷的金属表面和冰冷的湖水还有寒风，让我们在场的每一个人都印象深刻。
为了人员和设备的安全，我们又必须要减慢工作速度，以往大约20分钟的布放时间，在那个时候可能就需要一个小时。所以，我们每完成一次布放，手基本都会冻得没有知觉，需要缓半天才能开展其他工作。
另一次印象深刻的是去年“奋斗者”号的海试。我们在海试的路途中遇到了非常强烈的台风，这个台风对我们的影响非常大，我们也躲不开它，只能尽量绕着它走，但是海况还是非常恶劣。我在船上经常能听到某个舱室里有人在呕吐的声音，到食堂吃饭的人员基本连半数都不到。就在这样的状态下，我们仍然很多时候都在坚持朝五晚九的工作。
通过不懈的奋斗，我们圆满地完成了海试。虽然取得了一些成绩，但我觉得主要还是得益于国家的富强，得益于科学技术长期以来的传承和积累。
老科学家们为我们打下了非常坚实的基础，他们那种淡泊名利、甘于奉献的劳模精神，也是非常值得我们学习的。
最后给大家放一段我们中科院声学所汪德昭老先生讲过的一段话：“我们不能满足于在国际水声大合唱的队伍里当一名成员，争取有一天在国际合唱队的里边当一个领唱者。不，是指挥者。”
我们在去年返航的路上也收到了习近平总书记的贺信，让我们倍受鼓舞，心潮澎湃。通过载人深潜，为我们国家探索海洋奥秘、开发海洋资源、保护海洋安全做出自己的贡献，我感到非常骄傲和自豪。
谢谢大家。
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”