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引言
: m, `# u3 K5 Z, q6 c3 J- f 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。 5 l! A; O$ o7 S
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。 ) O6 H$ H! s/ d& h
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
0 Q; ? C2 y/ J0 B( C* l" 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： " y. n! `4 V/ w4 {
REMUS 100系列小型AUV：
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) \- R" j7 b8 N3 E1 g 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。 # w' d. u6 M9 y ]
Gavia AUV系列小型AUV , N8 I9 v$ t7 P% [" Q% ^& r
" U, y( x# q$ ~3 ~ J* [7 v 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。
% V0 `5 C0 T6 w Bluefine 9 # Y" ]- Y9 ~# M7 [
! P Q$ Z9 ]/ N, i 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。
7 w6 ?6 Z9 Q( v' f 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。
/ N: E4 q; j% j 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+ i$ T1 P4 a
01 体积小
A7 e* l* J7 C. h# T% C% P 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； 7 U, g6 B% {2 C! o0 k
02 重量轻 & |& O1 [; G7 }5 ~& m2 K7 K
小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
_9 m6 G% m3 d2 w: z 03 功耗低 * O! ?+ v5 z/ d
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； : ?& M x# [9 x9 H* A- U! s
04 性能高
# q( G1 D0 F! Z. 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 ; j& y0 O0 o: Z6 j) Z T9 S
05 兼容强
( a* S7 F5 y; H+ v 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# {5 e( c* b- V" C 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。 & i3 g% V- }0 z8 Z; x) S8 G1 p- F: y
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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。
2 ~. u& u0 i& v, o. z; e 海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 - U2 _. P. u2 z8 Y) i9 g2 H4 g, X
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： + o' R% r# p- b9 k/ l7 G
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01 嵌入式侧扫声呐系统设计 1 k u# ^3 b, w. ~+ R+ q( d
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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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 D+ N: P% F$ b
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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。
: Y3 U6 B k% G$ i8 V3 o7 ~1 \7 @ 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。 / Y2 ?( H4 Q: ]0 B
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电路模块 : A7 G9 f! n2 }5 j' C
, ]$ y$ N! f7 ]: N% m6 e7 |8 d+ x+ u 全屏蔽外壳
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) a& O7 B0 t8 s2 x2 c$ H 高性能换能器与水密接口 1 j/ J3 o% t8 x0 {
02 嵌入式侧扫声呐安装设计
* h. U$ ], ^& |/ F 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。 ; H `9 @" ~# C- g: m1 v. `
（1）嵌入式安装方式
. d+ d- v0 a' x2 t- O 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： ! `: d7 H- M0 p9 g& s/ O
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（2）外置式安装方式 ( [7 v3 p9 D# C* ]% K' N$ n
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： 6 ~/ P4 M; C" f- y) P U" l/ a2 [8 K; t
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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 W. `3 L. y& X 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 0 q. L/ Y2 ]( p k0 G, H6 @
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。
8 ]8 A# S3 h+ w5 I, r4 Q) ]8 j% _7 } （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 i. W4 G" s- M: Z
（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。
3 h2 x F1 Q5 h' k/ r （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。 ) h; A: ~# `3 l5 Z: J- n
04 开发总结与产品应用
k3 z! D/ Y# ]# x+ |% R6 x 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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) X3 y/ O0 i5 h# l K; T/ [" U 嵌入式侧扫声呐的应用展望
) t& X) a7 x( 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。 ( @' N- Z& b0 [6 U
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。
& F! m7 t8 R% ]5 J- ]2 J9 }. T 产品/技术问题解答 2 T9 u# {% j) y$ @/ C/ Y. S
赵工13911689871（微信同号） - e8 B4 K5 x6 F, B. `
霍工18611176465(微信同号)
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