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借水传信 海底捞针
编者按：
10909米！“奋斗者”号创造了中国载人深潜新纪录，也使我国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。实际上，“奋斗者”号这个国之重器全身上下都是打破纪录的关键核心技术。这些技术背后有着怎样的科研故事？本报今起开设“万米载人深潜的背后”专栏，走进“奋斗者”号研制团队，讲述他们矢志创新的故事。
“亲爱的观众们，万米的海底妙不可言，希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。”11月10日8时12分，“奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟，三位潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众直播了他们所看到的万米海底世界。
相较于“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器，“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化，突破全海深难关。借助组合导航系统和声纳设备，潜航员仅用半小时便成功取回布放在万米海底的3个水下取样器，实现了“海底捞针”。
“突破万米不仅仅是4位数到5位数的突破，而是证明我们有能力挑战深渊，中国具备对全球最深的海洋探索和科考的能力。”中国科学院声学研究所高级工程师、“奋斗者”号声学系统主任设计师刘烨瑶说。
水声通信厉害在哪？
2020年10月27日早上5:30，西太平洋上刚日出不久，“探索一号”上的船员和科研人员已开始了例行的检查、布防等工作，按照计划，“奋斗者”号载人潜水器将第一次下潜至马里亚纳海沟万米深处进行科考取样，大家期盼已久。
经过4年的研制，千百次的湖试、海试，刘烨瑶对“奋斗者”号充满信心，“我们团队一路从‘蛟龙’号和‘深海勇士’号走过来，积累了丰富的下潜经验，对设备性能也非常熟悉，下潜即将突破万米，心情有些激动但并不紧张。”
经过3、4个小时的下潜，“奋斗者”号终于来到了-10124米处，水声通信是它与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁，通过此潜航员可将潜水器运行状态、海底矿石生物等通过文字、语音或图像实时传输至水面。刘烨瑶的首要任务便是保证声学系统的平稳运行，同时尽可能多地观察采样。
从水下4500米、7000米到10000多米，距离更长，对通信水平的要求自然更高。“就像距离较远的两个人说话，想要听清楚，首先讲话人要提高音量，同时听者也要竖起耳朵、或用手帮助收音，这分别对应着信源级和信号处理，我们通过波束形成、波束跟踪等方法，保证通信质量。”中科院声学所助理研究员郭卫振说。
除通信外，水下定位也要靠声学系统来实现。由于海水对电磁波的衰减作用，通常使用的北斗、GPS等导航定位系统在水下统统失效。“奋斗者”号中，研制团队创造性地采用了由声学多普勒测速仪、超短基线定位系统、惯性导航等多种设备相集成的组合导航系统。
郭卫振介绍，声学多普勒测速仪可以测量潜水器在各个方向的运动速度；超短基线定位系统利用声波的时延差、相位差等信息来为潜水器导航和测距；惯性导航通过测量潜水器在惯性参考系的加速度，结合时间信息，得到导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
“这三种设备各有优缺点，并存在不同程度的误差，我们将三者组合起来，使其相互校准。”他说。
几百个日夜的坚守
2020年3月初，声学所“奋斗者”号研制团队召开紧急会议，6名研究人员被先后派往无锡进行水试试验。“初期工作效率很低，因疫情隔离无法到现场，只能根据每天的进展日报推测、排查设备问题。”中科院声学所工程师廖佳伟说。
一次，潜水器上用于感知环境障碍的高度计突然死机，他们将能想到的问题都列了出来，芯片过热、设备本身故障、线路中断、漏水等，挨个排查。
“为了不耽误白天的试验进度，我们只能趁着间隙或晚上进行检查。由于潜水器完全密封，所有的仪器设备都在它的‘肚子’里，需要拆卸外壳及浮力材料，取出相应的仪器。”廖佳伟表示，“奋斗者”号这种大国重器，需要不同单位、不同领域的研究人员通力合作，不可能因为某一部分的问题耽误整体试验进度。因此，经常出现还没来及摸清状况，就要重新装回仪器的现象，而要完全解除故障，往往需要来回拆卸。
对“奋斗者”号来说，通信效果是科研人员们最在意的，也最需要在真实水域、海域中才能摸索出最佳状态。水试过程中，有段时间通信效果一直不佳，大家都很疑惑：原本的设计是用于万米通信的，现在水试深度才二三十米，效果怎么会不理想呢？
这个问题困扰着团队所有人，经过反复的分析模拟，发现可能是发射幅度增加产生的回声干扰了正常通信。“恰恰是因为距离较近，回声反射的很快，多次叠加使信号接受效果受到影响。这要求我们减小发射幅度。”郭卫振说，矛盾的是，对声学系统的考核要求必须测试大幅度下的通信效果，只能不断摸索二者间的平衡点。
“大半年的时间里，每天都是在寻找问题、排查问题、摸索实验技巧中度过，都是为了一个目标——万米深潜顺利进行。”他说。
来自“家里”的全力支持
不论是刘烨瑶、郭卫振、廖佳伟，还是其它成员，都爱把声学所实验室称为“家里”，他们在外进行湖试、海试，遇到难以解决的问题，第一反应便是联系“家里”。“我们参与海试的只有6个人，可整个声学系统研制却是声学团队多年来辛苦钻研的成果，离不开‘家里’的支持。”刘烨瑶说。
就在10月份出海前夕，已行至三亚的“奋斗者”号的组合导航系统标定出现了问题，现场没有相关仪器的研制专家，且三亚也不具备标定实验条件。
“联系‘家里’，初步排查问题后，决定将100多公斤的仪器寄到杭州千岛湖，我和北京的团队成员汪伟分别赶赴杭州，进行调试实验。”廖佳伟说，“问题必须在出海前解决，来回邮寄就需要5、6天，留给调试的时间也就1、2天，好在他非常熟悉多普勒测速仪，赶在时间节点前完成了调试。”
“一旦出现问题，就要集合所有人的智慧连夜排查。必须保证出海试验的顺利进行，这是对我们的要求，更是科研人员必须背负的使命。”廖佳伟告诉《中国科学报》。
受疫情影响，参加海试的生活略显单调，往常趁周末空闲的回京探亲无法实现，在当地的活动半径也缩小到了试验基地，也正是因此，大家建立起了深厚的感情。“我们就像战友一样每天待在一起，有了困难和问题共同承担，为了最终的目标不断努力。”郭卫振说。
单调的生活中，他们也在给自己寻找乐趣。郭卫振回忆，当潜水器浮上海面之后，比赛快速找到潜水器是大家最喜欢做的事，“潜水器在海面上漂浮着，里面的潜航员会非常难受，我们越快地找到，他们就能越快出舱。”
