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小型AUV嵌入式側掃聲吶技術研究

2021-11-12 14:10

引言

隨著海洋開發、海洋防務和海洋科考的發展，以偵查、搜探、反水雷、海洋調查為主要任務的小型自主水下航行器（Autonomous?Underwater?Vehicle，?AUV）已經在多個領域實現了廣泛的應用。在上述應用領域中，嵌入式側掃聲吶作為小型AUV重要載荷之一，其綜合性能的優劣直接決定著相應任務的成敗。

本文通過對主流小型AUV和嵌入式側掃聲吶產品的分析，得出了小型AUV嵌入式側掃聲吶的主要技術特點，同時介紹了專門針對小型AUV需求的海卓ES系列嵌入式側掃聲吶的開發與應用情況，以及在其他領域的應用前景展望。

小型AUV與嵌入式側掃聲吶概述

全球范圍內水下自主水下航行器的研究和應用主要集中在美、俄和歐亞國家，其中以美國的數量最多。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，而同時適用于軍事、工業和科考等應用的中、小型AUV則主要集中在美、俄等國。其中，最為典型和廣泛應用的小型AUV產品包括REMUS 100系列、Gavia AUV系列和Bluefine 9系列，其主要的技術參數如下：

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、側掃聲吶等。

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、側掃聲吶、測深聲吶等。

國內的小型AUV的研發主要集中在高校和科研院所，其中哈爾濱工程大學、西北工業大學、中船系統、航天系統和中科院體系均有深入的研究并有相應的型號產品；民營企業中，如深之藍、天和海防、瀚海藍帆、博雅工道等也都有各自的小型AUV產品推出。

綜合國內外小型AUV實際情況，其搭載設備要需要具備如下特點：

01 體積小

小型AUV直徑30cm以內，長度一般3米以內，內部空間小，要求載荷體積小；

02 重量輕

小型AUV標準重量均在100kg以內，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，為了同時保障動力和各種載荷工作，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化抵近測量，因此對載荷的精度和性能要求較高

05 兼容強

由于不同的AUV結構、載荷和內部電磁環境差異巨大，因此要求載荷具有很好的兼容性和較強的定制化能力。

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

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

海卓ES系列嵌入式側掃聲吶研發與應用

為了滿足國內、外小型AUV用戶的水下小目標、管線、結構物的精細探測需求，對標國外主流的嵌入式側掃聲吶產品Scout MKII性能，海卓同創研發了ES系列嵌入式側掃聲吶產品，可實現與進口產品的原位替換，如下圖所示：

01 嵌入式側掃聲吶系統設計

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。

電路模塊

全屏蔽外殼

高性能換能器與水密接口

02 嵌入式側掃聲吶安裝設計

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。

03 嵌入式側掃聲吶SDK軟件包設計

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。

04 開發總結與產品應用

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：