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引言
9 P2 R: k9 b9 T. T" G8 ~* ]! S/ j 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。 ! @, Z: ?: y3 s. @) o! j7 E6 D
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。 4 q, y' h4 S8 \8 n# O
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
" t } g! q9 M# y; r$ H 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： " ?, v8 V) g2 ?, {
REMUS 100系列小型AUV：
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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。 ( }+ d0 q+ O5 K7 d0 K
Gavia AUV系列小型AUV
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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。
0 m J4 \ P3 j5 b8 J/ c Bluefine 9 - @' K; G6 S. W i/ b0 a$ b; G" h
" W9 E& r' L) l2 p1 @3 q8 d2 j6 _2 M 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。
1 h5 j, y" O) u9 u+ Q9 v7 h 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。 9 w0 I) R. h0 X( L; I9 o( S0 g7 \
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：
3 ~3 r9 I3 }: X) C0 ?' V 01 体积小 - E4 ~) w q! D9 K7 v8 q5 @9 A
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； 5 {8 W3 _4 d7 o( J2 Z7 o% P7 N
02 重量轻
' {! ?4 v C% F& N+ X ?! Y; G 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； ( i; F2 R' ?4 G0 b) S9 C s
03 功耗低 * K, Y. y& c, O
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；
( s8 y ^' q7 W9 `( C" _$ p0 u0 i0 m* H 04 性能高
5 t! ?, f% e$ J5 c$ X 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
9 C. m2 x) F2 N) O; X 05 兼容强 : |* D, R' s% ^) F ]) T; C2 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。 7 ]1 j0 ~% w8 o- x
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。 + q+ V3 k, F% L1 ]0 ^
2 O; a2 O) m* s* ? 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。
: v7 J! r% R* b; z4 K# h: G* c 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 7 x! W' G6 P* \" Q
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： + w* y7 [( m; u4 H* S, w
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计
( ` w* u" x, l1 \5 g% q! t 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： 3 x1 S1 k7 n% U" g7 |- ?) m S% V
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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。 % C# s" a1 {! e4 u1 O1 s4 q- w. x
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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。
$ [) F+ }' @' I* G 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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e3 _- T3 w) A' d; V' o( o- j! a 电路模块 ; W' x/ p; J. R' ~- L8 p1 t6 A
% Q, M2 K( j* T, P9 B: \ 全屏蔽外壳 3 p* P3 q0 G$ ]9 ?5 C5 Y
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高性能换能器与水密接口
% V [/ I0 Y) V. u+ n7 Y/ T4 e9 e 02 嵌入式侧扫声呐安装设计
# _0 J/ E; }8 I4 C9 M/ M 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。
' X: s: g' F8 Z% O8 R （1）嵌入式安装方式 6 k$ h$ V5 _ F, N3 {6 ~
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： 7 V8 `% g, W! v/ u
: b! K" X7 G# a# ?7 [ （2）外置式安装方式
3 ^& e. T, g' E; g" ^ 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： : J; D, {0 K6 C9 Q* m
! \( Q0 E D7 k: c 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。 & }8 v$ c% X0 U4 c9 q
03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
+ |$ T! A4 r: h4 p 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。 3 i f v4 E) f! {
（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。 2 S' i! y% c( 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。
+ N0 R5 j: l0 J# ~- n （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。 , o$ y4 A8 j2 |9 N2 V
04 开发总结与产品应用 / U4 h5 R: C+ Y; |( G
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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6 R" U* E* s0 W- Q% A! B4 U# Y 嵌入式侧扫声呐的应用展望 4 [5 m! X( z k8 H" k! E$ a: h
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。
8 B4 G9 U" C# t0 F$ |5 M 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。 7 d% ~+ K2 B. C9 d6 ?; X3 ?: ]( k
产品/技术问题解答
; C; T* q* p {+ U 赵工13911689871（微信同号） ) p# y% z+ ]9 l: J
霍工18611176465(微信同号)
* A$ w( n% p1 A! s) f& T' D 邮箱：sales@hydro-tech.cn
( p. {8 C- m9 W 地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层
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