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引言 0 J" h# s# ^' u" I" ?. j) l
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。 6 J2 Q5 R& ? o
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。
- K, y3 n( v) M* X. }8 G3 |3 { 小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 3 W, Z# _7 N' y F3 b) c u: T
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： + C6 z0 t1 a( V
REMUS 100系列小型AUV：
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+ _' D# O7 U: ]/ V! w 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。
/ f" J& R/ ]: u 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。 5 _! g+ f2 r+ j1 ~" j8 H4 m4 E" g
Bluefine 9 4 [! [8 k: E0 ]$ @/ G; H
; Z% L8 [' g# T 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。 D c, U5 {0 X/ I5 S, j
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。
! Q; U) v1 S' I1 Q1 c6 e 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： * _9 L8 j' ]& b% _ ~7 j C
01 体积小 , z; o3 k' R5 R0 y
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； 2 `1 A, C- }9 _$ Z: x9 J( E. ]0 t7 }
02 重量轻
1 k W! E1 G- b# t% B8 C 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； ( M% y2 k% s) Y! T! s
03 功耗低
0 P( J. ]/ Z! c! T! 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； , h# H/ f; F) y6 Y
04 性能高 3 X. ^# m& }$ ]' I, b( Y! I! `
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 * c* \4 o0 c, N' z) y
05 兼容强 ' I8 [# D# x) u/ I' w: {3 B
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。 ; G6 T( |$ ?# s: W! t
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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: j# h$ q% |: d7 h9 e, b1 ?/ N/ ]: o 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。 * f6 q7 h% j6 V2 h9 @( y$ _ {
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
2 R/ p( O1 c- S( T8 o. 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：
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计
1 {- k9 R% z* q9 O8 A# K1 w1 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：
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0 V* r; P" _! L$ }3 N# ]- I3 w 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。 8 U$ g; W, W* T w1 H& ^
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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。
; \ S4 @) u2 Q# C' I5 f 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。 & `: b- V7 C" M. x
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电路模块
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4 y7 Z' ?$ a3 p4 f( W$ b 全屏蔽外壳
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高性能换能器与水密接口
1 ]* c7 v* a/ S7 r7 } 02 嵌入式侧扫声呐安装设计
7 f/ ~& l+ d0 N 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。
' |) V1 D: j+ [8 \. {# V) g4 V （1）嵌入式安装方式 9 ]$ @+ |: s4 ~3 N8 w: X
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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（2）外置式安装方式
! n1 ?% R. m/ z$ m0 d 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：
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/ b) ^3 ]: M5 \1 P4 }& f 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。
3 M4 f+ f: Q2 }! M9 D( e4 E0 N! b 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 S. F* h7 @9 i
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。
+ J9 e) S! L* r- R6 S; b （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。 8 T0 ^4 H1 r& Z5 k. i
（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 |7 |6 z0 u" e& ]# Z1 A
（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。
) Z8 E+ A. ?5 G! K9 L! a5 R 04 开发总结与产品应用 9 w. t8 u: p/ K6 D3 e
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： 4 l7 G2 U4 I$ {1 q! D
7 N; A, n0 T% R# ^; H# b 嵌入式侧扫声呐的应用展望
) s1 [+ d, m1 x% i. w1 Y/ f 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。 u0 u# `/ d3 @& S, I' 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。 5 {) v. K3 l- _" Z- I
产品/技术问题解答
" g9 w( h2 Q5 G' O 赵工13911689871（微信同号）
* f0 k0 j. c7 A6 P. b 霍工18611176465(微信同号) " e+ B4 k$ T& j8 B, [4 t. H
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