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引言
$ I, c5 C/ o( X2 Y: S+ _ 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。
/ |/ X/ G3 b- J4 A5 D& ^5 `$ ?8 x 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。
) D0 N, b: x. L6 l# v 小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 ( N1 O* H9 K" ^# g: R' r
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：
1 B, n" d, U0 M$ X9 f8 H) w REMUS 100系列小型AUV： * q+ L# ]* g2 s" @* ]. ^
2 `3 i7 g2 h3 S' {8 q# Y) c( f6 ] 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。
6 h+ V9 A) B+ s1 D7 V8 p- Y8 Q q Gavia AUV系列小型AUV * X( e) Y M7 i4 g2 p" C6 D
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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。
( g" E/ d. E. j. Q6 `1 V Bluefine 9 9 b( T$ \0 Y) g4 @: j8 \, T
& h" L/ b# o( \/ U" v. `9 e 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; X1 S9 b% ~7 P- e2 m 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。 " P7 g/ b$ ] x. C3 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：
5 i( L7 l9 W5 B/ x9 p 01 体积小
+ W8 P1 ~( e+ @" ?! l) 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；
. ]% H% d* |# `, [: ~ 02 重量轻 ! [% S* l# T& A H
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻； ; t3 i4 s- z# c, e
03 功耗低
$ z- G$ `& ~& F- x3 K8 [8 a 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； ( x* K" J) p; E- r, u0 `2 @
04 性能高 ) Q- D8 C# C y
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 " G2 n J3 l" t Q" g$ \; X K( ~
05 兼容强
1 H: m; w; Z. C1 ` 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。 1 B* d4 W7 b8 S) ~8 R+ H
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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- }# K6 _, t' f4 v0 a2 W 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。
5 f' W4 [) C5 @# h 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 , i6 z' }! p7 C1 [$ l- X7 O
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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' z6 u. L+ |$ r7 S, }0 F 01 嵌入式侧扫声呐系统设计
`% T9 T4 u) K* K7 q* t0 c 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： 6 F8 K) @+ {( ~/ B
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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。 9 J- I2 }# p- c
' n: Z# `3 \- g 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。 0 d2 S' g7 R) D+ V7 X
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。 . C2 x2 h. \$ O+ K7 D- |8 ^
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电路模块
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全屏蔽外壳 M/ V! u* k2 f/ G: \) F2 I
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高性能换能器与水密接口
+ o. d% P- p/ p2 q7 t' i 02 嵌入式侧扫声呐安装设计 # U8 P/ ^- k! G% Q6 z
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。 ) X0 ~/ J3 t) F4 W0 a6 d5 Z
（1）嵌入式安装方式 7 p3 I# [) N% W& e; g/ o0 N
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： 3 j) D+ F, y- u
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（2）外置式安装方式
( n9 }6 U& i# i2 E2 E 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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# k9 a4 h3 o1 V* d5 Q6 M 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。 $ w6 ~1 H$ w# ^# z
03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
; B2 J% }& b5 F z# c" d 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。 2 E7 [5 f7 c9 p; w2 {. 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。
8 H* V7 _' l) A/ z- A7 b: [ （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。 # {4 t, O e* |( F% e% z
（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。 . M( n- j1 |% o, m% Q4 X R
04 开发总结与产品应用 ( _+ t- F8 F7 e7 o/ L( t
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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嵌入式侧扫声呐的应用展望
/ X7 F: H8 P( S8 q; u- @7 g/ G 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。
0 Z& H6 W# T9 B' ]0 Z, S6 w 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。 , Z( R7 a4 \) `; J( h# }& O
产品/技术问题解答 & F' ?: A. q; n
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