小型AUV嵌入式側掃聲吶技術研究

引言

小型AUV與嵌入式側掃聲吶概述

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、側掃聲吶等。

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、側掃聲吶、條帶測深模塊、淺剖儀等。

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

海卓ES系列嵌入式側掃聲吶研發與應用

針對小型AUV搭載設備體積小、重量輕、功耗低、性能高、兼容強等特殊要求，在充分分析小型AUV集成應用的特殊環境和性能需求的前提下，確定了海卓ES系列側掃聲吶的主要技術指標如下：

為了實現上述的技術指標，海卓ES系列側掃聲吶研發團隊將超寬帶接收技術、基于FPGA的多頻點數字濾波技術和高集成度寬頻數字發射技術進行了深度的融合，在12.7cm×5.8cm×2.7cm的空間內完成了全部電子系統的設計。先進超寬帶接收技術的應用，使得ES系列側掃聲吶電子系統能夠兼容從100kHz~2000kHz頻率范圍的側掃聲吶換能器而無需進行硬件改動，同時寬帶信號處理技術有效提升了聲吶的分辨率和圖像質量。下圖給出了ES系列側掃聲吶電子系統的原理框圖。

在電磁兼容和抗噪聲方面，海卓ES系列側掃聲吶采取了換能器高屏蔽設計、連接器抗干擾處理以及全屏蔽外殼設計和主動噪聲控制技術等措施，保證了在AUV內部復雜電磁環境和電機干擾情況下，仍能獲得高質量的側掃圖像。

海卓ES系列側掃聲吶的核心電路、整機模塊和換能器照片如下圖所示。

為了滿足不同AUV在設計上對載荷的安裝要求不同，研發團隊專門設計了兩種安裝方式：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，實現完全的共形安裝，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勢在于無需對AUV艙體做任何改動，艙體上打2個M5螺紋孔，利用換能器安裝外殼進行轉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，我們還提供了多種換能器進倉方式，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搭載側掃聲吶的安裝問題。

為了解決AUV用戶的軟件集成需求，研發團隊專門開發了支持多平臺、多模式和多功能的SDK軟件開發包。

（1）多平臺——針對AUV集成用戶水下主控計算操作系統的多樣性，ES系列側掃聲吶的SDK包提供Windows和Linux下多種版本，同時還針對國產麒麟操作系統進行了程序的優化。

（2）多模式——針對不同開發能力和開發習慣的用戶，ES系列側掃聲吶提供了兩種不同類的開發模式。第一種是傳統的“動態鏈接庫模式”，適合底層集成用戶開發，用戶需要通過編程來對聲吶進行各種操作和數據的讀取；第二種是“微服務程序模式”，用戶程序只需要與SDK微服務程序建立網絡連接，即可完成對聲吶的控制和數據接收。

（3）多功能——除了一般聲吶SDK所具備參數設置、數據讀取等功能外，針對用戶的需求痛點，ES系列側掃聲吶的SDK包還提供了數據本機存儲、聲吶原始數據輸出、航行器航姿數據融合以及實時拼圖圖像輸出等專有功能，尤其是實時拼圖圖像輸出功能，為AUV集成用戶的在線圖像識別提供了有力的支撐。

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