|
/ P# m: y% y! h4 a 引言 8 |1 D- m& h. q1 z4 \) M
随着海洋开发、海洋防务和海洋科考的发展，以侦查、搜探、反水雷、海洋调查为主要任务的小型自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）已经在多个领域实现了广泛的应用。在上述应用领域中，嵌入式侧扫声呐作为小型AUV重要载荷之一，其综合性能的优劣直接决定着相应任务的成败。 " S0 s: r3 h" C% Q
本文通过对主流小型AUV和嵌入式侧扫声呐产品的分析，得出了小型AUV嵌入式侧扫声呐的主要技术特点，同时介绍了专门针对小型AUV需求的海卓ES系列嵌入式侧扫声呐的开发与应用情况，以及在其他领域的应用前景展望。
5 O& n! G; e' \ 小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 : ]( x0 F" p, Q: A. y5 b4 X" z V% W
全球范围内水下自主水下航行器的研究和应用主要集中在美、俄和欧亚国家，其中以美国的数量最多。出于国防安全需求，美、俄、欧洲、日韩都在大型AUV方面投入较大，而同时适用于军事、工业和科考等应用的中、小型AUV则主要集中在美、俄等国。其中，最为典型和广泛应用的小型AUV产品包括REMUS 100系列、Gavia AUV系列和Bluefine 9系列 ，其主要的技术参数如下： - e) W1 M+ A; x* @; y: N
REMUS 100系列小型AUV：
0 u( t5 }. _( l$ g: T / I2 F; u# y5 l& k
直径19cm，长170cm，重32kg，锂电池供电1.5kWh，搭载载荷包括DVL、长基线定位系统、侧扫声呐等。
9 {, V: c( H( j4 l9 C Gavia AUV系列小型AUV
' b6 I( h1 L" U2 k+ H Z5 ]
* w- c# C) @1 C y h b% h 直径20cm，长1.8-4.5m，重50-130kg，供电采用模块化锂电池供电，单模块1.5kWh，搭载载荷包括DVL、侧扫声呐、条带测深模块、浅剖仪等。 5 \9 d* f9 x1 q1 O" x, B
Bluefine 9
6 k! |3 s5 G( w7 q, O& s
4 T$ R6 t5 H. Z( E 直径24cm，长度231cm，重70kg，锂电池供电1.9kWh，可搭载载荷包括DVL、侧扫声呐、测深声呐等。
. ]! ?( T' J/ d% z7 [4 z4 c. [ 国内的小型AUV的研发主要集中在高校和科研院所，其中哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船系统、航天系统和中科院体系均有深入的研究并有相应的型号产品；民营企业中，如深之蓝、天和海防、瀚海蓝帆、博雅工道等也都有各自的小型AUV产品推出。
$ e# k8 P, F5 R$ e' N 综合国内外小型AUV实际情况，其搭载设备要需要具备如下特点：
( S5 e4 h9 _) j P5 R 01 体积小
$ t8 Q7 X/ J! M$ r 小型AUV直径30cm以内，长度一般3米以内，内部空间小，要求载荷体积小； ; T5 ^& G4 l/ s9 F' K- `
02 重量轻 ' V# e0 ]4 k! _
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
$ U5 h" r0 [$ D4 B, W 03 功耗低 3 x h0 J# y7 h
小型AUV均采用锂电池供电，一般可提供电能均在2kWh以内，为了同时保障动力和各种载荷工作，因此要求载荷的功耗要低；
" M1 P, N6 {1 N, G; {8 L 04 性能高 . M' ?( d! H; F2 P
小型AUV通常的工作模式都是精细化抵近测量，因此对载荷的精度和性能要求较高
/ _4 j* S3 r& n ]( T 05 兼容强 5 Y; Z0 i8 L9 I6 V# y
由于不同的AUV结构、载荷和内部电磁环境差异巨大，因此要求载荷具有很好的兼容性和较强的定制化能力。
0 N& n# @* Y4 j& |, B9 U3 ` 作为小型AUV的重要载荷之一，嵌入式侧扫声呐也成为了国外水下探测装备厂商的重要产品方向，其中主流的侧扫声呐厂商Klein、Edgetech、Marine Sonic、Blueprint以及Deepvision公司均有针对中、小型AUV的侧扫声呐产品，例如 EdgeTech 2200 和2205、Klein AUV/UUV 3500、Deepvision BR-ROV、Sea Scan ARC Scout Mk II、Starfish453OEM等，部分产品照片如下图所示。
- T, c% K& m# a, T! Z! k 5 x7 ~; t- t' C- \) t! ~
其中，在体积、重量、性能、兼容性和应用案例等方面均占主导地位的是Klein AUV/UUV 3500和Sea Scan ARC Scout Mk II，后者也是REMUS 100的标配侧扫声呐，在美海军广泛应用，国内的AUV用户应用也非常广泛。
7 Z o5 B+ [: m+ x 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
1 C- ~5 R; ~' H! E) o/ o& y$ r 为了满足国内、外小型AUV用户的水下小目标、管线、结构物的精细探测需求，对标国外主流的嵌入式侧扫声呐产品Scout MKII性能，海卓同创研发了ES系列嵌入式侧扫声呐产品，可实现与进口产品的原位替换，如下图所示：
2 |: M( E; m# ]4 M* S
5 B9 |) Z6 ^, N O. W- G 01 嵌入式侧扫声呐系统设计
I8 B! ~, ?! t1 w7 V& c 针对小型AUV搭载设备体积小、重量轻、功耗低、性能高、兼容强等特殊要求，在充分分析小型AUV集成应用的特殊环境和性能需求的前提下，确定了海卓ES系列侧扫声呐的主要技术指标如下：
) D3 h, u' _$ ~# i. v4 M# ^
; R# U7 [. a9 m* M 为了实现上述的技术指标，海卓ES系列侧扫声呐研发团队将超宽带接收技术、高集成度宽频数字发射技术等进行了深度的融合，在12.7cm×5.8cm×2.7cm的空间内完成了全部电子系统的设计。先进超宽带接收技术的应用，使得ES系列侧扫声呐电子系统能够兼容从100kHz~2000kHz频率范围的侧扫声呐换能器而无需进行硬件改动，同时宽带信号处理技术有效提升了声呐的分辨率和图像质量。下图给出了ES系列侧扫声呐电子系统的原理框图。
' V r7 D% l; |# A% X& b
8 u$ L7 @9 u) Q. Z8 [ 在电磁兼容和抗噪声方面，海卓ES系列侧扫声呐采取了换能器高屏蔽设计、连接器抗干扰处理以及全屏蔽外壳设计和主动噪声控制技术等措施，保证了在AUV内部复杂电磁环境和电机干扰情况下，仍能获得高质量的侧扫图像。 ; K3 Y+ o' a6 e" f1 n
海卓ES系列侧扫声呐的核心电路、整机模块和换能器照片如下图所示。
5 |! f, F! [% K. G! E S " H9 w! Q. K- |) h0 h9 Q5 m; y* c
电路模块
/ r+ U$ E7 p8 x2 J. T" c 9 E+ J0 Y$ ]; d8 S
全屏蔽外壳 4 C, o1 }, P& m( e( n8 \+ I- k- L
0 _( K* D8 ^6 L6 D8 J 高性能换能器与水密接口
2 n( S8 U- v& m" M. a& U 02 嵌入式侧扫声呐安装设计
) S9 H* D7 l) ]+ n" @2 ~ 为了满足不同AUV在设计上对载荷的安装要求不同，研发团队专门设计了两种安装方式：嵌入式安装方式和外置式安装方式。 " z5 |. L" g& A5 u
（1）嵌入式安装方式
# z" C( `0 r. u" s* W9 M 嵌入式安装方式是在AUV仓壁上开槽，将换能器嵌入到开槽中，实现完全的共形安装，安装示意图如下： / P4 G. V' \) ?, W g) c
( i9 t% O+ }* ~: Y8 J8 R1 {$ p （2）外置式安装方式
% {! |% K( s s6 e8 D( t2 ]* j/ Y 外置式安装方式安装的优势在于无需对AUV舱体做任何改动，舱体上打2个M5螺纹孔，利用换能器安装外壳进行转接配合舱体外径安装固定，适合各种直径的AUV安装使用，安装示意图如下： 4 C& V0 L L' J+ ~& [# P4 W: h
/ l( k7 d' \. o) Q; c$ J8 |5 a 同时，我们还提供了多种换能器进仓方式，确保ES系列换能器可安装在任意舱段，完美的解决了小型AUV搭载侧扫声呐的安装问题。 U3 N6 G+ H J* U: } T/ h
03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
5 W+ t2 g4 B: f1 P! S! d, s6 l) I 为了解决AUV用户的软件集成需求，研发团队专门开发了支持多平台、多模式和多功能的SDK软件开发包。
0 L# E2 b v1 s （1）多平台——针对AUV集成用户水下主控计算操作系统的多样性，ES系列侧扫声呐的SDK包提供Windows和Linux下多种版本，同时还针对国产麒麟操作系统进行了程序的优化。
' X3 @4 r8 b! a1 i" o （2）多模式——针对不同开发能力和开发习惯的用户，ES系列侧扫声呐提供了两种不同类的开发模式。第一种是传统的“动态链接库模式”，适合底层集成用户开发，用户需要通过编程来对声呐进行各种操作和数据的读取；第二种是“微服务程序模式”，用户程序只需要与SDK微服务程序建立网络连接，即可完成对声呐的控制和数据接收。 - o% p3 ~" g0 G+ v# M5 N! C% N
（3）多功能——除了一般声呐SDK所具备参数设置、数据读取等功能外，针对用户的需求痛点，ES系列侧扫声呐的SDK包还提供了数据本机存储、声呐原始数据输出、航行器航姿数据融合以及实时拼图图像输出等专有功能，尤其是实时拼图图像输出功能，为AUV集成用户的在线图像识别提供了有力的支撑。
9 P! P8 z5 r2 z% g8 U6 n+ t 04 开发总结与产品应用 0 e% o% r9 z' \5 n+ F
具备微小型和高性能特点的海卓ES系列侧扫声呐作为小型AUV的重要载荷，已在海底小目标探测、海底管线扫测和水下安防等领域得到了充分验证。国内多家AUV研制单位，如中科院沈阳自动化研究所、中船710所、705分部、713所、航天十一院、哈尔滨工程大学、西北工业大学、中国海洋大学、天津深之蓝、瀚海蓝帆等多家单位的小型AUV上得到应用，并获得了专业用户的一致认可。部分ES系列侧扫声呐图像成果如下图所示：
, ?! F2 {# [9 Q! X8 R9 o 5 K% G% \3 i6 j4 w3 }
嵌入式侧扫声呐的应用展望 * o7 T+ h$ t3 x* J. r- ~
海卓同创的研发团队历时两年的产品完善和迭代，使得海卓ES系列嵌入式侧扫声呐已经成为一款标准化的产品平台，并由此衍生出针对不同细分领域应用的多款标准化侧扫声呐产品。 ' C* j" |* a+ @, m
随着在内陆和浅海领域的水下探测检测需求以及小型化无人船、小型ROV的技术成熟，基于嵌入式侧扫声呐开发的小型无人船侧扫声呐、小型ROV侧扫声呐等产品已在环保暗管排查、河道边坡扫测、应急救援和公安侦查等领域得到了广泛的应用。 4 m) A& u; n1 }+ E' ?$ \4 W
产品/技术问题解答 ; R! f, D: }0 b; k5 f: n
赵工13911689871（微信同号） ; t( r. T& }- t6 ~2 I) V
霍工18611176465(微信同号)
7 _: x |2 i' l. H9 H 邮箱：sales@hydro-tech.cn 4 i4 d& O: Q, z& }% _
地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层
6 P$ U% C; ]+ |" E9 K0 ]" \0 q! ^8 a' \( Q3 F2 t; j( Y( O
1 F% {% u( L* D% H/ E& g
3 `) p+ W# r8 C
% J5 W- B1 Y5 g S8 x9 c8 D$ m | 
