借水傳信海底撈針

編者按：

10909米！“奮斗者”號創造了中國載人深潛新紀錄，也使我國成為世界上第二個實現萬米載人深潛的國家。實際上，“奮斗者”號這個國之重器全身上下都是打破紀錄的關鍵核心技術。這些技術背后有著怎樣的科研故事？本報今起開設“萬米載人深潛的背后”專欄，走進“奮斗者”號研制團隊，講述他們矢志創新的故事。

“親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底。”11月10日8時12分，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，三位潛航員第一時間通過水聲通信系統向全國觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。

相較于“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學系統實現了完全國產化，突破全海深難關。借助組合導航系統和聲納設備，潛航員僅用半小時便成功取回布放在萬米海底的3個水下取樣器，實現了“海底撈針”。

“突破萬米不僅僅是4位數到5位數的突破，而是證明我們有能力挑戰深淵，中國具備對全球最深的海洋探索和科考的能力。”中國科學院聲學研究所高級工程師、“奮斗者”號聲學系統主任設計師劉燁瑤說。

水聲通信厲害在哪？

2020年10月27日早上5:30，西太平洋上剛日出不久，“探索一號”上的船員和科研人員已開始了例行的檢查、布防等工作，按照計劃，“奮斗者”號載人潛水器將第一次下潛至馬里亞納海溝萬米深處進行科考取樣，大家期盼已久。

經過4年的研制，千百次的湖試、海試，劉燁瑤對“奮斗者”號充滿信心，“我們團隊一路從‘蛟龍’號和‘深海勇士’號走過來，積累了豐富的下潛經驗，對設備性能也非常熟悉，下潛即將突破萬米，心情有些激動但并不緊張。”

經過3、4個小時的下潛，“奮斗者”號終于來到了-10124米處，水聲通信是它與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，通過此潛航員可將潛水器運行狀態、海底礦石生物等通過文字、語音或圖像實時傳輸至水面。劉燁瑤的首要任務便是保證聲學系統的平穩運行，同時盡可能多地觀察采樣。

從水下4500米、7000米到10000多米，距離更長，對通信水平的要求自然更高。“就像距離較遠的兩個人說話，想要聽清楚，首先講話人要提高音量，同時聽者也要豎起耳朵、或用手幫助收音，這分別對應著信源級和信號處理，我們通過波束形成、波束跟蹤等方法，保證通信質量。”中科院聲學所助理研究員郭衛振說。

除通信外，水下定位也要靠聲學系統來實現。由于海水對電磁波的衰減作用，通常使用的北斗、GPS等導航定位系統在水下統統失效。“奮斗者”號中，研制團隊創造性地采用了由聲學多普勒測速儀、超短基線定位系統、慣性導航等多種設備相集成的組合導航系統。

郭衛振介紹，聲學多普勒測速儀可以測量潛水器在各個方向的運動速度；超短基線定位系統利用聲波的時延差、相位差等信息來為潛水器導航和測距；慣性導航通過測量潛水器在慣性參考系的加速度，結合時間信息，得到導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

“這三種設備各有優缺點，并存在不同程度的誤差，我們將三者組合起來，使其相互校準。”他說。

幾百個日夜的堅守

2020年3月初，聲學所“奮斗者”號研制團隊召開緊急會議，6名研究人員被先后派往無錫進行水試試驗。“初期工作效率很低，因疫情隔離無法到現場，只能根據每天的進展日報推測、排查設備問題。”中科院聲學所工程師廖佳偉說。

一次，潛水器上用于感知環境障礙的高度計突然死機，他們將能想到的問題都列了出來，芯片過熱、設備本身故障、線路中斷、漏水等，挨個排查。

“為了不耽誤白天的試驗進度，我們只能趁著間隙或晚上進行檢查。由于潛水器完全密封，所有的儀器設備都在它的‘肚子’里，需要拆卸外殼及浮力材料，取出相應的儀器。”廖佳偉表示，“奮斗者”號這種大國重器，需要不同單位、不同領域的研究人員通力合作，不可能因為某一部分的問題耽誤整體試驗進度。因此，經常出現還沒來及摸清狀況，就要重新裝回儀器的現象，而要完全解除故障，往往需要來回拆卸。

對“奮斗者”號來說，通信效果是科研人員們最在意的，也最需要在真實水域、海域中才能摸索出最佳狀態。水試過程中，有段時間通信效果一直不佳，大家都很疑惑：原本的設計是用于萬米通信的，現在水試深度才二三十米，效果怎么會不理想呢？

這個問題困擾著團隊所有人，經過反復的分析模擬，發現可能是發射幅度增加產生的回聲干擾了正常通信。“恰恰是因為距離較近，回聲反射的很快，多次疊加使信號接受效果受到影響。這要求我們減小發射幅度。”郭衛振說，矛盾的是，對聲學系統的考核要求必須測試大幅度下的通信效果，只能不斷摸索二者間的平衡點。

“大半年的時間里，每天都是在尋找問題、排查問題、摸索實驗技巧中度過，都是為了一個目標——萬米深潛順利進行。”他說。

來自“家里”的全力支持

不論是劉燁瑤、郭衛振、廖佳偉，還是其它成員，都愛把聲學所實驗室稱為“家里”，他們在外進行湖試、海試，遇到難以解決的問題，第一反應便是聯系“家里”。“我們參與海試的只有6個人，可整個聲學系統研制卻是聲學團隊多年來辛苦鉆研的成果，離不開‘家里’的支持。”劉燁瑤說。

就在10月份出海前夕，已行至三亞的“奮斗者”號的組合導航系統標定出現了問題，現場沒有相關儀器的研制專家，且三亞也不具備標定實驗條件。

“聯系‘家里’，初步排查問題后，決定將100多公斤的儀器寄到杭州千島湖，我和北京的團隊成員汪偉分別趕赴杭州，進行調試實驗。”廖佳偉說，“問題必須在出海前解決，來回郵寄就需要5、6天，留給調試的時間也就1、2天，好在他非常熟悉多普勒測速儀，趕在時間節點前完成了調試。”

“一旦出現問題，就要集合所有人的智慧連夜排查。必須保證出海試驗的順利進行，這是對我們的要求，更是科研人員必須背負的使命。”廖佳偉告訴《中國科學報》。

受疫情影響，參加海試的生活略顯單調，往常趁周末空閑的回京探親無法實現，在當地的活動半徑也縮小到了試驗基地，也正是因此，大家建立起了深厚的感情。“我們就像戰友一樣每天待在一起，有了困難和問題共同承擔，為了最終的目標不斷努力。”郭衛振說。

單調的生活中，他們也在給自己尋找樂趣。郭衛振回憶，當潛水器浮上海面之后，比賽快速找到潛水器是大家最喜歡做的事，“潛水器在海面上漂浮著，里面的潛航員會非常難受，我們越快地找到，他們就能越快出艙。”