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/ B9 h8 G6 |( v7 a- b/ A* Q3 g, g 引言
|$ a* @4 }& f- D7 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。
/ m* K* J3 s' r, H 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。 9 q, B& u s) {8 f! g6 v
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
/ l8 H% K/ o0 B! O, G: A 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： ( L- w' B3 R0 E4 Z' `, U2 C
REMUS 100系列小型AUV：
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. p6 ~! a @) F. D y3 {( R 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。
* \. X# } T' y Gavia AUV系列小型AUV * o- w+ F* [' v+ \+ s' T% h4 e
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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。 : s& ^( a5 @4 y$ @. T
Bluefine 9 ( X! j- C4 y+ t& n1 B: ?5 T' m+ u4 h
6 W2 F" ]' b5 ^2 u2 {( j 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。 9 t, I4 F0 C' b; W% r5 y) I& B
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。 7 q6 a2 K1 h i! |8 [& N' p& P/ 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：
, E1 v/ J" J+ o# U8 e/ a# F; f 01 体积小
( V' ~! |. R# }6 m* m+ z 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； 3 s8 N. \$ ?! J' T4 ~
02 重量轻 0 n8 D" G/ a7 E' A1 e9 `
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； 3 X) i( E2 E( B# n7 t7 Y# q( J
03 功耗低
3 s* s# Q" y5 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；
2 k2 e; x! X, e 04 性能高 7 Y5 h B+ [* }+ S ^8 \6 L2 I( n- S
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 ! `: j" d: R4 g! R8 C; I
05 兼容强
" Y; ?$ f/ ~- }% r" T- | 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 q& z/ f( |: Q) X$ S+ @ 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。 3 e1 S6 y P# q) Z. b2 e4 O1 A
( {7 S7 [& o/ B 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。
6 z& w6 I$ {* F! i 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 ) C# a1 ^' s0 t) ` f5 q4 b9 t
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：
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计 $ _& T9 e, l* P/ d& i
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： * s. q( m$ W7 Z6 A8 z& H
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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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7 f1 l5 [$ w- | Z; h 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。 # V6 f6 m6 F" w% y7 ^: l' N- W
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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电路模块
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5 K5 w" [/ M: f& w1 ^ 全屏蔽外壳
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高性能换能器与水密接口
3 e+ J5 T4 ~3 g+ F 02 嵌入式侧扫声呐安装设计 & X+ n' o& ]- t
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 i# e/ \. `) P
（1）嵌入式安装方式
* o2 B* A" b* c; p+ a 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： 2 ^/ ?$ E) O' q: v! O* ~
6 x. [( e/ O, p- ^, K+ o （2）外置式安装方式
" g9 I- |7 B2 h3 G. W- M8 R K) 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：
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6 I/ t& [& q+ w- \6 D 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。
. W/ ]1 ^- O* f; X- c& ? 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 9 ?8 A7 f0 J5 a% [
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。 ) g3 e3 s! q6 _; B4 i! 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。 2 q t5 P" ~" X3 r3 P9 U
（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。 . d ?0 Q' E B5 K/ K; U d
（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。 . I: k! z- G+ K6 a5 ]0 Q
04 开发总结与产品应用
1 v( [7 F+ K# c6 d8 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： & Q% M; x; J& A* W
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嵌入式侧扫声呐的应用展望
- D, h% k/ X# m! j9 G; a 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。 3 h( }5 ?8 X9 ^) d% H% J7 D* O5 s
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。 7 N ?( |' X! b) {' o
产品/技术问题解答 # d( j0 t6 U4 E6 ? n
赵工13911689871（微信同号）
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