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3 t3 ]" I8 U z( H! V 引言
7 ^' Z+ u8 H; S$ _0 n 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。
( ~. c! h5 g' G% p 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。
x7 j. n# l; k8 }3 j7 e' a: } 小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 + _% n; K7 V2 y1 Z
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： # X2 y% W# h, y& P$ y# E
REMUS 100系列小型AUV： % N. W% H. f7 y7 B m
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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。
8 l- L# a6 s6 J8 p" K8 S- i- b Gavia AUV系列小型AUV 8 E' H4 Y, H; ~
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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。
$ A& L% c0 p% o$ E! W0 G) ? Bluefine 9
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- b+ u$ Y$ w7 T# P9 u7 D- v1 J 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。 C+ G' F: _5 I
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。 , ~8 p* T0 S4 V! W
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：
" c( y0 U/ d! p% P! J, I 01 体积小 * h" T) y: k& i# R
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； - ^+ H' x/ b# K* G- @% q" _& H8 g
02 重量轻
: t' H6 \$ v" z4 i! D9 t9 N 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
$ @" A4 F6 `. X) ]# K# _2 s: M 03 功耗低
E+ k6 J! W/ V/ V( ~, y& } 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；
2 K) |8 T+ p. R: s; q! X: Z 04 性能高 W, e4 S2 _1 ~
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 : P! r. A9 g5 w4 x' I0 A9 }
05 兼容强 ' @4 t, v8 z9 e, u
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。
) p) J+ _) l- }* x% N8 v% ~& e 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。
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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。
. ^/ e3 G2 m( I D0 A 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
+ d7 o9 Z; n. }# X" v2 F 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 8 m! ~* z) z' m
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： 1 w/ Y/ @2 |3 k3 C$ C. b
8 H8 N9 n5 T1 y u; k 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。
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3 z# K j) Q6 X 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。
7 }% m. x% t$ c7 W 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。
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电路模块 9 f1 S$ `+ b4 a& A
: q$ Z; \9 P# B7 U 全屏蔽外壳 " O, z2 L- d' X; p6 @
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高性能换能器与水密接口 . S- T, a; a( H
02 嵌入式侧扫声呐安装设计 , K5 f- r3 X5 {) N. L; ^
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。
! s) _$ r% H2 Z4 f; l8 a: v! Q; n% a （1）嵌入式安装方式
4 J2 A, D9 c! S( P 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：
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7 M u" Y$ [ A4 o& l/ i! y （2）外置式安装方式
/ m! x( s9 ?4 ]6 h0 Q 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： $ O0 t7 f. R8 j$ z; M7 ]- _
0 X) R6 t% r# r/ v. D+ H 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。
" {+ F. z9 n' {8 G+ c8 a% ] 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
) }6 T0 D, [3 V: _* [# i# g$ I4 Y 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。
, }- h8 L) S& w+ P* U1 y- J （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。 : O9 ~1 N# K# v7 @# f7 _; c
（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。
0 x$ h1 W6 |& `6 y4 B （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。 ! Q1 e/ n% T: ~! t `
04 开发总结与产品应用 , X% J( @+ x( o( [( Y
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：
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# Q/ U# x, J7 z( ]9 p. E 嵌入式侧扫声呐的应用展望 ) H: i( H3 r6 k: A
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。 , g, X0 S2 a5 U+ g( @$ u' z
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。 : T8 X1 I o$ v) \ i' [
产品/技术问题解答 B; M6 C% h" J {$ y5 C
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霍工18611176465(微信同号)
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