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引言 W O0 s( c& G
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。 % i! T) ]. J. u1 q- C9 j. a
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。 8 ]0 j1 E, X5 b7 A( R9 S7 G! f
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 6 W# y' I- y j" E) a# L( |
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： ( h3 C) F+ |; S5 R9 Z; _! x
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。
; a Q7 g# Q7 y8 y2 \ Gavia AUV系列小型AUV
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+ W. s! a% ]/ e: U5 A0 v 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。
. B' \1 t9 D; \" Z Bluefine 9 3 e% S3 o. E+ N/ E1 K$ {, k; x* Z6 A
( q# e& t* y a 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。 4 R# ^8 X# T) 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。
0 z/ [ ?( L7 p' @# L 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： ! k- s# C. N( \% L2 L" `- T, }4 k6 t
01 体积小 * w2 I8 ]! m1 [4 ^% G0 F- j; Y: Y
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； . @0 @2 X9 H6 J2 [! s( g
02 重量轻 0 ]; p3 |' Z7 x' G
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； 1 c- @+ [ d' X) h5 \
03 功耗低 U, y K* a( ?% `/ V9 U
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；
& C$ n9 o8 L- s" v i 04 性能高 / B2 [: Y# o+ T2 a
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
% k I* p3 P6 E! L l 05 兼容强 ; x3 s/ d# |5 M8 C; D+ [
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。
9 C, U H3 D3 A# r" B 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。 7 p0 a2 s1 g+ F5 t7 v
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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。 1 p% P$ ?$ E6 ^) i& k4 G a
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
8 j! o3 x) H! h1 y: p5 X5 i8 y' G- C 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： + O" K/ [7 g- J; w. g
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计
: _$ g5 h: N/ v) v6 H, H 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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% o1 U( ^ H, D" R; ~ 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。 3 o6 Y( ^7 W& s
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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。
( q$ j8 k% }, z9 f 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。
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& v5 @- f& j" ?4 B 电路模块
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全屏蔽外壳
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* k& H E1 B. e6 G 高性能换能器与水密接口 : {; G% M4 j9 b! m6 c
02 嵌入式侧扫声呐安装设计
% Y2 L' N1 P) C% j6 X& L& M, C* F 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。 9 v; \& s0 U8 A7 A2 q- h
（1）嵌入式安装方式
2 ^7 D2 J3 p# [! m! Y k 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：
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（2）外置式安装方式
; ?9 Z/ n& v/ Y2 z 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。
5 }5 h' k$ i# U' p# i( t. o& w 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 1 B+ Q2 j# h* `9 p* S% C2 J
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。 5 p5 |! V; J8 E, j
（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。
4 G6 A1 x" I9 g. ^9 h' x （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。
1 L E( Y7 \) s% a- ` （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。
! G, @( j4 t3 v4 Z 04 开发总结与产品应用
) ?: u5 T& [0 {0 _ 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： ! E% c' @3 O0 c1 N
: \& H3 |$ E: s 嵌入式侧扫声呐的应用展望 1 A" E- P: D" l9 F, }
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。 0 G0 Z% k9 w D/ O% f6 Q4 z
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。 & y/ {* I$ F" \. J
产品/技术问题解答
7 H$ P/ Y; U' w4 L0 G 赵工13911689871（微信同号）
]* P8 D _; X5 N 霍工18611176465(微信同号)
0 L5 {1 y3 k1 `! P: {: c 邮箱：sales@hydro-tech.cn
0 m& k, @3 s& a; W; n 地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层 & \, O" U3 N" ^- D" ^
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