引言

隨著海洋開發(fā)、海洋防務(wù)和海洋科考的發(fā)展，以偵查、搜探、反水雷、海洋調(diào)查為主要任務(wù)的小型自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。在上述應(yīng)用領(lǐng)域中，嵌入式側(cè)掃聲吶作為小型AUV重要載荷之一，其綜合性能的優(yōu)劣直接決定著相應(yīng)任務(wù)的成敗。

本文通過對主流小型AUV和嵌入式側(cè)掃聲吶產(chǎn)品的分析，得出了小型AUV嵌入式側(cè)掃聲吶的主要技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)介紹了專門針對小型AUV需求的海卓ES系列嵌入式側(cè)掃聲吶的開發(fā)與應(yīng)用情況，以及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望。

小型AUV與嵌入式側(cè)掃聲吶概述

全球范圍內(nèi)水下自主水下航行器的研究和應(yīng)用主要集中在美、俄和歐亞國家，其中以美國的數(shù)量最多。出于國防安全需求，美、俄、歐洲、日韓都在大型AUV方面投入較大，而同時(shí)適用于軍事、工業(yè)和科考等應(yīng)用的中、小型AUV則主要集中在美、俄等國。其中，最為典型和廣泛應(yīng)用的小型AUV產(chǎn)品包括REMUS 100系列、Gavia AUV系列和Bluefine 9系列 ，其主要的技術(shù)參數(shù)如下：

REMUS 100系列小型AUV：

 

直徑19cm，長170cm，重32kg，鋰電池供電1.5kWh，搭載載荷包括DVL、長基線定位系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶等。

Gavia AUV系列小型AUV

 

直徑20cm，長1.8-4.5m，重50-130kg，供電采用模塊化鋰電池供電，單模塊1.5kWh，搭載載荷包括DVL、側(cè)掃聲吶、條帶測深模塊、淺剖儀等。

Bluefine 9

 

直徑24cm，長度231cm，重70kg，鋰電池供電1.9kWh，可搭載載荷包括DVL、側(cè)掃聲吶、測深聲吶等。

國內(nèi)的小型AUV的研發(fā)主要集中在高校和科研院所，其中哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中船系統(tǒng)、航天系統(tǒng)和中科院體系均有深入的研究并有相應(yīng)的型號產(chǎn)品；民營企業(yè)中，如深之藍(lán)、天和海防、瀚海藍(lán)帆、博雅工道等也都有各自的小型AUV產(chǎn)品推出。

綜合國內(nèi)外小型AUV實(shí)際情況，其搭載設(shè)備要需要具備如下特點(diǎn)：

01 體積小

小型AUV直徑30cm以內(nèi)，長度一般3米以內(nèi)，內(nèi)部空間小，要求載荷體積小；

02 重量輕

小型AUV標(biāo)準(zhǔn)重量均在100kg以內(nèi)，因此要求載荷的重量要輕；

03 功耗低

小型AUV均采用鋰電池供電，一般可提供電能均在2kWh以內(nèi)，為了同時(shí)保障動(dòng)力和各種載荷工作，因此要求載荷的功耗要低；

04 性能高

小型AUV通常的工作模式都是精細(xì)化抵近測量，因此對載荷的精度和性能要求較高

05 兼容強(qiáng)

由于不同的AUV結(jié)構(gòu)、載荷和內(nèi)部電磁環(huán)境差異巨大，因此要求載荷具有很好的兼容性和較強(qiáng)的定制化能力。

作為小型AUV的重要載荷之一，嵌入式側(cè)掃聲吶也成為了國外水下探測裝備廠商的重要產(chǎn)品方向，其中主流的側(cè)掃聲吶廠商Klein、Edgetech、Marine Sonic、Blueprint以及Deepvision公司均有針對中、小型AUV的側(cè)掃聲吶產(chǎn)品，例如 EdgeTech 2200 和2205、Klein AUV/UUV 3500、Deepvision BR-ROV、Sea Scan ARC Scout Mk II、Starfish453OEM等，部分產(chǎn)品照片如下圖所示。

 

其中，在體積、重量、性能、兼容性和應(yīng)用案例等方面均占主導(dǎo)地位的是Klein AUV/UUV 3500和Sea Scan ARC Scout Mk II，后者也是REMUS 100的標(biāo)配側(cè)掃聲吶，在美海軍廣泛應(yīng)用，國內(nèi)的AUV用戶應(yīng)用也非常廣泛。

海卓ES系列嵌入式側(cè)掃聲吶研發(fā)與應(yīng)用

為了滿足國內(nèi)、外小型AUV用戶的水下小目標(biāo)、管線、結(jié)構(gòu)物的精細(xì)探測需求，對標(biāo)國外主流的嵌入式側(cè)掃聲吶產(chǎn)品Scout MKII性能，海卓同創(chuàng)研發(fā)了ES系列嵌入式側(cè)掃聲吶產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)與進(jìn)口產(chǎn)品的原位替換，如下圖所示：

 

01 嵌入式側(cè)掃聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對小型AUV搭載設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、性能高、兼容強(qiáng)等特殊要求，在充分分析小型AUV集成應(yīng)用的特殊環(huán)境和性能需求的前提下，確定了海卓ES系列側(cè)掃聲吶的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

 

為了實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)指標(biāo)，海卓ES系列側(cè)掃聲吶研發(fā)團(tuán)隊(duì)將超寬帶接收技術(shù)、高集成度寬頻數(shù)字發(fā)射技術(shù)等進(jìn)行了深度的融合，在12.7cm×5.8cm×2.7cm的空間內(nèi)完成了全部電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。先進(jìn)超寬帶接收技術(shù)的應(yīng)用，使得ES系列側(cè)掃聲吶電子系統(tǒng)能夠兼容從100kHz~2000kHz頻率范圍的側(cè)掃聲吶換能器而無需進(jìn)行硬件改動(dòng)，同時(shí)寬帶信號處理技術(shù)有效提升了聲吶的分辨率和圖像質(zhì)量。下圖給出了ES系列側(cè)掃聲吶電子系統(tǒng)的原理框圖。

 

在電磁兼容和抗噪聲方面，海卓ES系列側(cè)掃聲吶采取了換能器高屏蔽設(shè)計(jì)、連接器抗干擾處理以及全屏蔽外殼設(shè)計(jì)和主動(dòng)噪聲控制技術(shù)等措施，保證了在AUV內(nèi)部復(fù)雜電磁環(huán)境和電機(jī)干擾情況下，仍能獲得高質(zhì)量的側(cè)掃圖像。

海卓ES系列側(cè)掃聲吶的核心電路、整機(jī)模塊和換能器照片如下圖所示。

 

電路模塊

 

全屏蔽外殼

 

高性能換能器與水密接口

02 嵌入式側(cè)掃聲吶安裝設(shè)計(jì)

為了滿足不同AUV在設(shè)計(jì)上對載荷的安裝要求不同，研發(fā)團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了兩種安裝方式：嵌入式安裝方式和外置式安裝方式。

（1）嵌入式安裝方式

嵌入式安裝方式是在AUV倉壁上開槽，將換能器嵌入到開槽中，實(shí)現(xiàn)完全的共形安裝，安裝示意圖如下：

 

（2）外置式安裝方式

外置式安裝方式安裝的優(yōu)勢在于無需對AUV艙體做任何改動(dòng)，艙體上打2個(gè)M5螺紋孔，利用換能器安裝外殼進(jìn)行轉(zhuǎn)接配合艙體外徑安裝固定，適合各種直徑的AUV安裝使用，安裝示意圖如下：

 

同時(shí)，我們還提供了多種換能器進(jìn)倉方式，確保ES系列換能器可安裝在任意艙段，完美的解決了小型AUV搭載側(cè)掃聲吶的安裝問題。

03 嵌入式側(cè)掃聲吶SDK軟件包設(shè)計(jì)

為了解決AUV用戶的軟件集成需求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)專門開發(fā)了支持多平臺、多模式和多功能的SDK軟件開發(fā)包。

（1）多平臺——針對AUV集成用戶水下主控計(jì)算操作系統(tǒng)的多樣性，ES系列側(cè)掃聲吶的SDK包提供Windows和Linux下多種版本，同時(shí)還針對國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)進(jìn)行了程序的優(yōu)化。

（2）多模式——針對不同開發(fā)能力和開發(fā)習(xí)慣的用戶，ES系列側(cè)掃聲吶提供了兩種不同類的開發(fā)模式。第一種是傳統(tǒng)的“動(dòng)態(tài)鏈接庫模式”，適合底層集成用戶開發(fā)，用戶需要通過編程來對聲吶進(jìn)行各種操作和數(shù)據(jù)的讀取；第二種是“微服務(wù)程序模式”，用戶程序只需要與SDK微服務(wù)程序建立網(wǎng)絡(luò)連接，即可完成對聲吶的控制和數(shù)據(jù)接收。

（3）多功能——除了一般聲吶SDK所具備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取等功能外，針對用戶的需求痛點(diǎn)，ES系列側(cè)掃聲吶的SDK包還提供了數(shù)據(jù)本機(jī)存儲、聲吶原始數(shù)據(jù)輸出、航行器航姿數(shù)據(jù)融合以及實(shí)時(shí)拼圖圖像輸出等專有功能，尤其是實(shí)時(shí)拼圖圖像輸出功能，為AUV集成用戶的在線圖像識別提供了有力的支撐。

04 開發(fā)總結(jié)與產(chǎn)品應(yīng)用

具備微小型和高性能特點(diǎn)的海卓ES系列側(cè)掃聲吶作為小型AUV的重要載荷，已在海底小目標(biāo)探測、海底管線掃測和水下安防等領(lǐng)域得到了充分驗(yàn)證。國內(nèi)多家AUV研制單位，如中科院沈陽自動(dòng)化研究所、中船710所、705分部、713所、航天十一院、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、天津深之藍(lán)、瀚海藍(lán)帆等多家單位的小型AUV上得到應(yīng)用，并獲得了專業(yè)用戶的一致認(rèn)可。部分ES系列側(cè)掃聲吶圖像成果如下圖所示：

 

嵌入式側(cè)掃聲吶的應(yīng)用展望

海卓同創(chuàng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年的產(chǎn)品完善和迭代，使得海卓ES系列嵌入式側(cè)掃聲吶已經(jīng)成為一款標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品平臺，并由此衍生出針對不同細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用的多款標(biāo)準(zhǔn)化側(cè)掃聲吶產(chǎn)品。

隨著在內(nèi)陸和淺海領(lǐng)域的水下探測檢測需求以及小型化無人船、小型ROV的技術(shù)成熟，基于嵌入式側(cè)掃聲吶開發(fā)的小型無人船側(cè)掃聲吶、小型ROV側(cè)掃聲吶等產(chǎn)品已在環(huán)保暗管排查、河道邊坡掃測、應(yīng)急救援和公安偵查等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

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