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9 @4 v2 x8 N0 | 引言 7 _' D" J* `& x4 |( R+ r& ]
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* r( ?, }9 ^# g 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。
6 ~' F8 {: [) {2 i6 i4 B 小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
h0 P0 n2 j8 G" p3 ^# O% M. _; I 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： $ c+ i5 g; d9 w& ~3 p
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。
4 G) S5 Z& q" O' Q Gavia AUV系列小型AUV 3 P+ C5 _# q; Q
5 H1 {' {7 ^2 L+ e# M! R7 W 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。 / C, }! m1 Q& }
Bluefine 9
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% a( A$ j% [& p& z. E- R( y1 S- W0 I 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。
# [5 c/ r l2 ~( y' `2 k% n8 P 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。 3 S5 e, S2 B) u5 u s v) b" {8 \
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： & F9 V! K! @% ?: w2 l7 R$ s
01 体积小
- x9 w' B3 Q8 c- D5 n0 C3 ]/ l; b; O 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； % N4 M! v8 Q( S0 _3 H6 ~9 c2 m
02 重量轻
. g7 Z0 ]+ ~9 D! h. n% H9 W" E 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； ; j% O- ]/ o4 i+ d) @( T9 J8 ~) A
03 功耗低
~3 v! v+ Y5 P, ]8 j8 ^0 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； " ^* l% |( D# A- W6 Y$ p
04 性能高
9 f" D3 U: ]" L7 M( |) U; e 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 - M! G# A& M( a# J0 s! m) Z
05 兼容强 * `* n' x! F- g; C, h# t, U- 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。 * Q9 V- V* n7 Z0 _3 x' @
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。 ) N N& H" C) _' g5 `8 m6 I V# Z
6 h4 \+ F* D V8 ]/ ?; J 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。
0 K3 V2 C' u0 J9 ^" u+ ]* e* ]8 A 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 & \! ~) I* a4 e8 f3 d8 p
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 , l+ R b8 K6 K# L ]
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) D0 q, M, W3 C3 E5 }
, _& a; K. `0 s! L" G 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。 ( _* M: _. M% Q5 N& L6 x
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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。
! g# j6 J$ v, N I+ t# p! 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。 8 f8 T' x/ d& ?4 ]/ A
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电路模块
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1 _, r* w% l4 s! I6 V 全屏蔽外壳 % h, V) _, p6 A& N
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高性能换能器与水密接口
3 G: u5 p" O) M$ W6 I1 I- y. g 02 嵌入式侧扫声呐安装设计 5 g7 Q4 y" t z y4 S% @, a
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。 - l6 f6 ]9 r$ e; i9 Y4 ~
（1）嵌入式安装方式
f- b2 u( t8 k6 }) X- r' 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： % s2 g* U/ @( `, n% f( C
4 h$ g! w6 Y4 a1 c/ a （2）外置式安装方式
+ X8 S$ H4 n9 C0 p$ a$ 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：
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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。
/ @6 z) C8 Q8 K! j5 F v 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 9 K8 ?/ e0 G/ X- q
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。 0 {, s* `: l; y! p/ o
（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。
! o; i9 d% f5 J$ z: ~ （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。
7 E/ I! x" x! Z4 z6 I5 `: r （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。 ) j) G0 x( T" U* F
04 开发总结与产品应用
$ ]$ Y- v* i" j" `, s; A 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： 1 j" S+ q4 S# h7 t+ [3 O
+ q% m; F( s! Z) c+ E! Q6 F8 r 嵌入式侧扫声呐的应用展望
! q7 K8 U* ?: G- g: f8 P7 C& m 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。 4 L; F" X# j& d5 Z4 k x1 `
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。
: M1 x: i/ g6 B6 X 产品/技术问题解答
* r$ a3 p* u. W) y1 L: t. C 赵工13911689871（微信同号） % F9 G5 Y2 D; X6 a- C
霍工18611176465(微信同号) 5 C" ~8 I& U$ M
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