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引言 8 @* j: n0 }* [# H+ I
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 r, x' y% o; u8 |, Z 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。 : s0 ]# h4 P6 v9 b/ \0 u) K5 s+ ^, l
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
( n! @; Y; k- P) q, o 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：
7 q! [& ` X/ I- o( b! h' [ REMUS 100系列小型AUV：
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2 g& C0 O; D% Q5 N4 H 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。
* \( D9 \$ j, |; f; Z% F( Q: X5 h Gavia AUV系列小型AUV 8 {. n1 U' [$ T" V; k7 g9 B
1 s; F* L' Y w4 e7 \; I& z 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/ H4 j2 r
Bluefine 9
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: a2 o) J. p: `* b& F 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。
. p1 \% b/ i% a! ^) O) N8 e/ k 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。 8 }$ E/ e8 D; k3 g( f
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： " A3 F5 R- f% P+ p3 b$ U
01 体积小
6 x. R5 W& k( W- E, w 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； : l# T3 c6 u+ v, p+ S( Q
02 重量轻
) P8 o5 E( h8 A* }* Z. a 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
3 O1 k, J+ ~/ _5 q 03 功耗低 7 U l+ G7 K( Z) A
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； 4 B9 F6 O U* H' |: u6 p
04 性能高 z* q }. s) d* \
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 . A' r# q( G+ C7 @/ E; V
05 兼容强
9 }0 L: i! Q5 S8 J* A, U$ i( F 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 I4 j8 L0 Y% E; K; c9 _# u$ P 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。 6 v" t/ ^0 d9 M- D
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
1 V" K& a) {: L7 J. s: a 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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, h X% `& C) B4 W+ ? 01 嵌入式侧扫声呐系统设计
5 _( n( B- N N2 `( P 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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; g+ W6 M6 c6 X 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。 - i! |* J" k( P1 G0 x
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。 . V/ \9 H, p: x/ T
$ x# p) F- U9 s1 A4 p 电路模块
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& Z6 Q1 e; F6 N; k+ W. k, d 全屏蔽外壳
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7 h1 }4 i9 Y3 m 高性能换能器与水密接口
5 n/ B& B$ J: {0 N) k 02 嵌入式侧扫声呐安装设计 , Q, P8 l k" n5 v
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。
0 M, q. ?, M X7 j （1）嵌入式安装方式 & c* _3 z' `; E7 y- c! B/ q: 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： 7 T0 P+ K$ V3 K) l
) o" k% ?# x$ h8 O6 ?0 v （2）外置式安装方式 ( V4 p! ~/ o, O, B6 X% k
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： 1 \& E' e. y% F7 c
! W X3 a% h9 P+ J; l 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。
0 O0 W7 Q o8 D2 Z4 E9 W 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 $ e: X9 ]) u0 U+ `
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。 ' r# ]5 \9 \2 @- x, F3 V, z& @
（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。 0 f2 x+ U/ q$ v
（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。 6 Q" F3 y4 F% J& D- t* _# Z
（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。 + T( _, |- Z! M; i2 o _
04 开发总结与产品应用 8 m7 r0 A( P2 U% S
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：
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+ Q) T' f# y7 M! G 嵌入式侧扫声呐的应用展望
! b0 ]$ L! Z7 Z, T! ^ 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。 ) f. S1 W: C* L9 h1 \
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。 : f% |1 t! ^* \& n; h' l8 n- @: X
产品/技术问题解答 $ T; q' k. A% h. j
赵工13911689871（微信同号）
; ? @) N# \; c" B. x* z 霍工18611176465(微信同号) . F$ W' l+ J7 o, O. e- H
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