|
c$ N# F( F6 A2 d- l( D e! v
引言 9 y2 A; M% [: [2 T( ]
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。 $ {' |' f. J% l4 s
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。 3 Z+ U/ G. K4 [# c
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
) F9 v. B# p; Z. s+ E4 H1 U 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： ; {' M7 o) I; C! @1 x
REMUS 100系列小型AUV：
0 h! d& D/ D; P% ?% y" Q) y2 h3 V: I 2 K, E1 a7 p0 j, y+ L$ A* q
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。 0 Q8 R- a2 M" \1 K0 R( Y6 N
Gavia AUV系列小型AUV : b7 ]5 X/ [1 O; F
2 q4 d2 U( Q8 c- G
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。
5 Z/ b6 a! `4 x) i8 y0 W! c% f Bluefine 9
. }; P' T7 }& `' z# s* L$ z1 }
+ v9 K% R% _3 G8 K4 m1 T 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。 6 o1 E7 ~+ p$ L) l9 ?
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。 ; {& P, [" v6 ]( c. i9 M! _" G
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： 2 n/ \( Q8 e$ F, V: _
01 体积小
& d8 T w, @( x7 ? g) s" e. N6 C 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；
1 ~+ W" }4 C9 ]2 t 02 重量轻 , q5 \& |( T# W2 n) w1 J3 w
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； 4 h0 K' F% K7 C8 i" i
03 功耗低
8 X3 u( A: M9 y1 g; s) E# M 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； ( e- U# A9 O# S' t
04 性能高 % s- ?; K" P: ? O I, i, O# z! V5 I4 ]$ u
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
3 s- ^$ y' M/ R& [3 k" V; T, @ 05 兼容强 / n6 N$ o- |8 W; t4 ?9 v2 a
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。
: k u% W3 n7 r 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。 ; B$ h$ V: v6 O1 }$ {+ c# |1 i0 L
* b' p9 T7 k* b& w+ F- S+ }! v 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。
3 a, I$ L# ]% z3 k# x7 p 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
( l/ Z& [, j+ Y T/ l 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： * a7 B8 J4 `" L3 W
6 U9 H# S1 D6 k5 _* @! E
01 嵌入式侧扫声呐系统设计 f1 H1 A8 l( x) E1 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：
& n* k6 K& h0 b4 }, f) E ; Y& m3 P9 X* k' d( P/ p
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。 6 E. v+ q5 ]% A% j7 P5 d
6 {! g. N( s2 H6 V3 Q
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: Z/ @; w7 e3 B/ 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。
0 v2 Y& v2 L7 k- w. k5 l! |6 P3 I \
6 A: W1 i ~, E6 `$ \: y 电路模块
9 f' L+ u& a: P- ~& z7 [
! B6 Y/ S3 l" f- s5 s8 ] 全屏蔽外壳 2 V( U* A+ G( V& z
; [' n) J4 X: v6 I# {6 j9 p 高性能换能器与水密接口
8 X2 H& o6 R. l: n 02 嵌入式侧扫声呐安装设计
, [: O; h. J7 B. d+ r0 J$ P7 d 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 F# T k3 H( M3 B/ ?$ H7 G
（1）嵌入式安装方式 6 y. \" L B- G- Y
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：
8 s4 ?; q9 k1 U1 }9 l
8 u* G0 l' F0 } （2）外置式安装方式 & X/ `) n; k$ X9 Z: W
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：
7 \" Q0 ^) H% Z ; y4 R/ `% O# [2 w6 e. C, K
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。
) S, D- y( g& G J5 m" g 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 ' R4 w- E2 F4 z
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。 ! I: X6 O$ ]/ Y4 n) T
（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。
1 N% x* Y# G7 O （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。
. e4 I! w- o& g4 t" 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。
+ U# w' l/ c- @ s 04 开发总结与产品应用 0 X1 ~ J& i# m
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： ( Y! L* U$ W6 n0 u: e# `2 j
7 [8 A% b: U- L 嵌入式侧扫声呐的应用展望 7 R9 G& z' _/ r) S4 K
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。
u0 T+ v9 W4 w5 Y 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。
/ {* M4 j3 {4 s K/ ^2 @ 产品/技术问题解答
2 y& B. I- l. }: z 赵工13911689871（微信同号）
/ U4 S3 A- N/ |- B' P& D3 e, v# r 霍工18611176465(微信同号)
/ C. P6 H7 `3 I4 H 邮箱：sales@hydro-tech.cn
( h; k; n+ F" v } 地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层
4 O- H4 A9 d8 Y( P9 a) J" f* B
+ `3 K' p9 q, x* s8 U* V4 ^+ Q! f. O. J
; c) d! T6 e6 L5 W4 K
; \+ v9 c" n0 V! C | 
