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引言 # b9 h' `' y9 }5 z
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。 ) }5 p& w( }: U
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。 1 C9 w3 l0 V! K( U
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 / r0 t9 @2 q9 @" B( ], x4 p+ Z K
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： ( d5 F- R2 u! f7 B
REMUS 100系列小型AUV：
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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。
/ I( ^" k# d3 a. E# i6 R- u: |- h Gavia AUV系列小型AUV
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; |9 t; e) w% l 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。 * I! |1 T! Q) H8 s! w" j/ T
Bluefine 9 $ _& K+ k! O! q+ }1 M n
2 h! k) q; ]8 Q 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。
2 c# n5 D/ w" u! ?3 x 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。 & s; E* f- F& h1 h8 ^& V- F- o& B
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：
) b+ Z8 Z2 B l 01 体积小
% p7 L: h! _- U% a) J 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；
9 U0 Q. v- J3 f4 v* N! \6 J4 P 02 重量轻
; U* ~ w2 u+ b! j/ X* T 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； 3 T" ^4 g& F- J
03 功耗低
0 G( y# h r6 z% U& B 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； ) p( H$ u# s0 I9 G8 i) J% x/ ^% q
04 性能高 4 e: U1 r% O9 i' r: y+ \3 [
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
; j9 c1 U2 [. T p 05 兼容强
# f! ~3 W1 j. E% C 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。 6 u% n4 u6 |) Q* x7 _
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。 ! e) }! N; j6 @' y6 z
9 g8 \8 t: J$ d" M. E/ n 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。
( C/ S* i7 O/ S. L/ ] 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 1 z& a# _0 m5 M
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： ' Z+ H0 u0 {4 U( W6 I/ o
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计 " d& |! e5 K! z# K* Z2 {# F. x* h5 f0 X
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：
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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。
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! L3 w& X9 c% J% B( v 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。
# ]* ?& q9 `! N0 C3 M, v2 Y 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 e( o8 O1 l7 S _
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电路模块
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全屏蔽外壳
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4 ^2 B9 B/ K ` 高性能换能器与水密接口 $ f9 k. V& a8 e+ ? }
02 嵌入式侧扫声呐安装设计 $ `, P1 K3 [: W1 `1 P
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。
8 ?( w% E# ]1 X （1）嵌入式安装方式 ( r$ }+ o% V3 p# P
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： . N9 t. m$ M5 |8 d$ }( s, \/ W
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（2）外置式安装方式
& e5 a7 e: ?! @1 t 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：
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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。 4 d* I+ g2 ~' E
03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
- _2 _0 ]: D5 ^) j, A$ ^' P 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。
/ \1 C/ L, X3 p1 m% \4 |. k3 i （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。 # [* }$ [8 H% y4 ? C' @* q5 E5 [/ T- _
（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。 / r, g( a% c% q2 q
（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。 q7 X- }% D$ P
04 开发总结与产品应用 ) e3 T$ x/ c, Q/ A* v# X% ]! x1 R
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： 9 Z" V3 P" W! ?& [
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嵌入式侧扫声呐的应用展望
u {+ |- Y* ]2 ? 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。 " a! y# O, [' }; B' i/ F
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。 3 U' U8 d9 |3 }7 G& V
产品/技术问题解答
3 O5 s$ E2 T& ~) z. x 赵工13911689871（微信同号） 1 v8 |- v0 U1 F& ~0 ~& A4 t# G
霍工18611176465(微信同号) 0 W6 Y$ e F0 I6 \3 a
邮箱：sales@hydro-tech.cn 8 W# H- F8 @2 x' p2 d3 [9 d. f
地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层
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