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4 `" f6 D' ?: n2 r4 D8 t n; A4 _ 引言 # h) R; Z- M# c- d
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。 ( t: S/ Q/ D* {- J
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。 1 Z: t8 W( c% R; M* I# w4 s
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 9 E" I2 d2 E1 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：
% e, v) l, j3 G4 h- q# ^4 [/ D' N 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。 f7 N. B* |7 y; {
Gavia AUV系列小型AUV
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~- R: Y7 _# P 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。
, m8 j$ M3 |4 q* j, | Bluefine 9 / N0 e3 ^5 s" J. M% @; U
$ p' R& X3 P% B* p$ z! [ 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。 - K* x) H( x5 S- V
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。
/ _1 `4 Q% ^7 }$ v: \ 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：
) q, ^) |' h. W0 f 01 体积小 # Z+ ?4 i+ S7 k3 _
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； . ^4 q# J5 E: r2 g) O c/ [
02 重量轻 ) f4 j# ^6 o* T1 u. D: S
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
% @7 s3 E4 `, v5 v1 K9 W6 P 03 功耗低
! z N( `3 J- l6 B+ t# D4 w 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； % N6 E4 M5 g0 U
04 性能高 " v: O$ C! g! f" N% o" H1 [
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
. z/ x/ D3 K, U; `2 d0 [) F 05 兼容强
7 R) l& w1 R, O8 M( \& e$ k4 C 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。 + s/ a* h! \4 ^% Y# 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。 1 \3 {- N6 e; m0 Y' L
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
m1 c* ]& k/ Y( }* n+ M% \+ n 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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, }' P9 u/ j" F 01 嵌入式侧扫声呐系统设计
& F& t% q) P8 D5 M, p 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： 4 i+ \1 D( w1 q# H& K$ f
7 [# D3 P) K$ K2 H 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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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。 2 U$ B( ~+ @7 B
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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3 d' T8 k" n+ ?' d$ a6 S( S& y 电路模块 / k, r( j( }, h8 r
. B8 H F- k; Y8 G 全屏蔽外壳 , c3 j) H2 O# S$ \1 x G- b) i
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高性能换能器与水密接口 7 f- q- r( G) R8 g$ i
02 嵌入式侧扫声呐安装设计
8 a; j& A. \, n6 u& K* [5 a 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。
1 l) I/ B7 \- V1 v; U （1）嵌入式安装方式 0 `: q) ^* s- L* O5 S
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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$ P; E) x6 Y( I. Y3 |* \ （2）外置式安装方式
3 d* ~* h4 @5 ~ 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： + C) [) J7 H5 t8 K# t* |
+ A! z1 ?8 L1 w1 H6 T' j 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。
6 P7 q8 N4 G. x& n, ~ 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
T8 U# Z, B; o5 e 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。
; s# h( ~+ X/ {. W3 T+ s' ^0 p/ |2 g （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。 ! M! i8 s* u& g& \
（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。 + z ~) Y) n1 ?$ Z7 ^/ b* S
（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。
) p/ j* O* }( V/ E5 N 04 开发总结与产品应用 3 Q4 N& e4 q+ }0 {3 x. j
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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- b% W, n) \% q* W6 ~) V3 o* U 嵌入式侧扫声呐的应用展望
7 @/ R Q) |' 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。 7 V. H( p0 L8 o& ~3 y8 ?1 k
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。
9 f* u! W' C. U 产品/技术问题解答 7 d- F. Q* g, v6 d* @
赵工13911689871（微信同号）
! |! O. h. P4 f2 d1 [; x0 E 霍工18611176465(微信同号)
0 [# L) A2 e7 U 邮箱：sales@hydro-tech.cn - k4 z" w% ]5 k9 g, F/ u7 @4 y
地址：北京市通州区景盛南二街33号院5号楼1层 % f3 P! S4 b+ X: l$ D
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