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7 T/ \$ w: }$ Z+ D* Q! y 引言
# e7 k' q2 R) z. o6 P$ L9 G# J 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。
Y% b7 S6 w" b' z+ 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。 2 b; v9 c5 j! \9 S! I3 |9 G
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 # w* H8 L) |2 X8 V% l& q5 J' Z
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： 1 c" F% W! L" Z
REMUS 100系列小型AUV： o( t0 A/ [/ Q" i/ H8 l5 g( s
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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。
2 ^; s# T! J1 ` s) B# O; R3 [ Gavia AUV系列小型AUV
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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。 1 W) ^5 o; ?4 H
Bluefine 9 ) K' R+ p' B. }2 U1 |
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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。 8 Q$ y# ~. K( Y
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。
9 n2 z* [6 ^5 y+ 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：
* r. k2 `9 A* y$ @ 01 体积小
) _8 Y5 A4 h7 F- H0 F. C9 T 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； ' d! u" p+ A( R0 J! Y" i
02 重量轻 ' V \: W% @$ t4 `
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； 3 I! {# D& B+ t8 Q) t a( a
03 功耗低 - d2 x9 O8 z- h 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；
" g6 I- T! i# T6 ?# x, i; {/ c/ L 04 性能高
) V* m- \9 V A/ g. E5 B 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 5 D( `1 r6 ^- k) n
05 兼容强
1 z9 ], F7 u/ q/ Z4 P: D4 Y4 h 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。 . P% N6 }/ d# S& x4 f* K% k" T3 w( V
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。
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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。 2 ?/ [% m- q4 C& O
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
0 x) y6 v* N* J( V3 y 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 ~# \+ z+ C8 T: z( t# J
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计
0 g: A2 O2 b0 o$ N3 { 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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) {' X2 _8 `7 h* v R& S 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。 ! a/ q% U# \8 F* a1 G) K
# Y7 K: o( {, w 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。
+ d+ c9 S" I3 \% T4 A 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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% b1 h! [7 r2 c( i 电路模块
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全屏蔽外壳 5 V& w1 ]: Z" w3 X
( E( W5 F' J+ {3 ] c+ S1 t 高性能换能器与水密接口 0 n: K- P9 L# I- u* \
02 嵌入式侧扫声呐安装设计
' e8 k% E" w2 _% ^: |) ^9 l 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。
& C7 o4 C0 O2 Q$ G& M# f# {3 l （1）嵌入式安装方式 ( J; c/ s. [- W/ Q6 G K1 K1 W7 I
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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, Q$ |6 F# ~/ C" A% V5 P （2）外置式安装方式 5 O9 r) `" H8 L
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： 2 @) u. Y0 G9 Y7 D# H2 L2 |9 V
A6 Y3 B6 \) z' m 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。
, m7 A' w4 y+ |4 }# ^8 n 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
7 P( [6 ?5 H6 [* b/ y' O; X# O 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。
t% l t. z! i4 Y （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 R) r5 y. |8 j% i* |3 o5 _( c0 H （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。 9 @) ~' w8 o+ |9 p* [3 z$ G
（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。 8 q6 m5 |; [9 o" L0 x( @0 ~) @# G% M, h
04 开发总结与产品应用 * }. h! P9 K$ }8 Z3 ]) ^% w
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： 2 _3 `! o3 R4 b- U4 B
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嵌入式侧扫声呐的应用展望
8 @8 k# L8 G6 e- P* [" x9 w 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。 ( G/ v: @5 x @
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 R* p% x# u5 m+ r 产品/技术问题解答 , t9 P: n( e9 n& P8 ?
赵工13911689871（微信同号）
9 @% o8 `. x7 W" g4 n0 ?0 H+ C 霍工18611176465(微信同号)
4 H, n, _7 p6 @; W- ~8 ]4 ? 邮箱：sales@hydro-tech.cn ; V2 g, r! M) s4 Y% @6 J( [
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