如何为水下机器人选择二维成像声呐？

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水下机器人在进行水下飞行时主要依靠摄像头和灯光来导航，虽然目前的摄像头技术发展迅速，已经能达到4K分辨率，但在浑浊的水下环境依然无法清晰成像，主要依靠水下声呐成像技术来完成导航、搜寻、检测等工作。

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成像声呐也称为图像声呐，有很多种分类方法，我们主要聊聊根据波束数量的分类，常见为单波束声呐（Single beam sonar）和多波束声呐（Multibeam sonar），单波束声呐要完成成像功能必须使用机械部件进行旋转扫描或者依靠平台的移动来完成，主要有单波束机械扫描声呐（Mechanical imaging sonar）和侧扫声呐（Side scan sonar）如下图所示；

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(单波束机械扫描声呐成像示意图1左)

(单波束机械扫描声呐成像示意图1右)

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(侧扫声呐成像示意图2)

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单波束机械扫描声呐是通过一个波束和旋转云台的机械旋转来实现的成像，根据旋转角度不同，可分为360°机械扫描声呐和扇形机械扫描声呐也称为前视机械扫描声呐。360°机械扫描成像声呐一般垂直安装在水下机器人顶部进行导航避碰，如图1右侧所示，主要应用于石油钻井平台导管架、桥墩柱子等复杂环境，这些环境要求操作手需要实时的了解水下机器人360°范围内的障碍物情况，注意这些环境所在区域的流速都较大或需要完成的工作较为复杂，一般需要观察级及以上的水下机器人搭载。

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在市场上我们还能见到一种用于管涵测量的360°扫描声呐也称为剖面声呐，该声呐主要水平安装在水下机器人的前方或者后方，和用于导航避碰的成像声呐的不同点在于波束类型不同，360°机械扫描声呐的波束为扇形以Imagenex 881A为例，波束宽度为0.75°x20°，这一类型声呐在垂直方向的开角通常会超过20°，可快速的得到目标物影像和目标物离扫描声呐探头的距离；而管涵剖面声呐波束类型为锥型以Imagenex的831A为例，波束宽度为1.4°，这类声呐可以形成剖面点云数据，通过平台的移动可得到x、y、z三维坐标，从而进行精准测量，主要用于缺陷、淤积检测等，由于此类声呐的体积不小，以831A为例直径为79mm长度为273mm，一般需要观察级及以上水下机器人搭载；

扇形机械扫描成像声呐如图1左侧图所示，通常扇形开角为120-130°，主要安装在水下机器人前方，进行导航避碰和水下检测，呈现的成果如下图：

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大家可以注意到扇形机械扫描成像声呐无论是360°扫描还是120°扫描，其呈现出来的结果类似。360°机械扫描声呐主要用于复杂环境，狭小空间，而前视机械扫描声呐主要应用于开阔水域，有较好的测量范围。随着声呐技术的发展和对测量精度的要求提高，单波束机械扫描声呐越来越少被使用，多波束声呐的出现解决了精度和效率的问题。

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常见多波束声呐主要有多波束测深/剖面声呐和多波束图像/前视声呐。如下图所示。

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(多波束测深/剖面成像示意图3)

(多波束图像/前视成像示意图4)

多波束测深/剖面成像声呐和前面提到的剖面声呐一致，主要用于水下地形测绘和剖面测量，有搭载到水下机器人上的版本，但更多的是船载版的，这里我们就不过多介绍。有一款360°多波束成像声呐我们不得不提，如Teledyne marine的T2250-360和Imagenex DT360,这两款设备和前面提到的831A类似主要用于管涵检测，360°范围内一次性形成1000+点云数据，通过平台的移动可以得到三维坐标，在通用三维成图软件中生成管涵的三维模型，可检测量取10*10*10cm的缺陷大小。

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可以看到剖面成果都有点云数据输出，都可后处理生产直观全面的图像，并可以在软件里进行尺寸的量取和三维建模，只是点云数据的密度，分辨率不同。这类声呐的换能器需要同时产生多个波束，因此换能器尺寸不小，以DT360为例直径152mm，长409mm需要观察级及以上水下机器人搭载。

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我们现在在市场上看的最多的就是多波束成像/前视声呐以Blueprint D750d为例，如下图所示，频率的不同开角不同，水平开角最高可达130°，垂直开角可达20°，波束数量高达512个。

下图影像是通过声呐探头的移动来对水下地貌进行探测，可清晰的发现障碍物，可完成搜寻，避障的工作。如果需要完成检测工作，我们需要对静态图像进行分析，软件截取的静态图像由于扇形面积的限制，每次我们只能看到部分地貌，不直观。

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下图影像是通过声呐探头的移动来对水下地貌进行探测，可清晰的发现障碍物，可完成搜寻，避障的工作。如果需要完成检测工作，我们需要对静态图像进行分析，软件截取的静态图像由于扇形面积的限制，每次我们只能看到部分地貌，不直观。

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侧扫声呐软件后处理软件可以完成多个条带的声呐图像拼接，形成一幅完整的影像图，有利于确定缺陷或者目标物所在位置，也可通过软件进行简单的尺寸的量取，于是有公司就想到了利用后处理软件拼接2D成像声呐的图像，他和侧扫声呐的图像具备很多相似点，可回放、平面二维图像、成像原理一致，但相对于侧扫声呐的拼接成像声呐的拼接更难，难点主要在于数据的采集，侧扫的工作原理决定了侧扫的数据采集很规律，都是条带形扫测，而成像声呐主要由水下机器人搭载，数据的采集一般没有规律可言，因此要想完成拼接，我们需要严格的按照一定的行进路线、保持水下机器人一定的姿态来完成数据采集，我们就能得到如下的成像声呐成果。

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目前的多波束成像声呐可以做到非常小的尺寸，还是以MD750d为例长125mm宽122mm高62mm，在水中重0.36kg，按这个尺寸大部分非专业级的水下机器人均可以搭载。

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看到这里大家已经比较清楚，根据应用方向确定360°扫描成像声呐还是扇形成像声呐，是否需要后处理提供更加直观高精度的成果，再根据水下机器人的级别也就是搭载能力来确定具体声呐型号，当然也需要考虑预算情况来选择单波束还是多波束。

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这是一篇科普性文章，对于石油、海洋科考等专业用户来说声呐的选择没有任何难度。我国水下机器人行业在国内几家生产厂家的带动下快速发展，很多用户购买了或打算购买他们的消费级、专业级或者工业级水下机器人来完成相关的工作，由于声呐传感器技术的发展，重量和尺寸也越来越小，无论哪种级别的水下机器人都有对应的成像声呐可搭载。是不是看到这里又有点迷糊，水下机器人的级别又是怎么定义的呢？点击以下链接即可访问我们关于水下机器人分类的文章http://www.huirov.com/9254.html

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