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引言
, G( q6 l+ Q. V7 J7 O 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。 ) _ I! E, ~' V2 q$ @8 i
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。 7 u+ u9 Y2 @4 h7 U5 J4 P
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述 4 H( U3 d8 X: q
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 n8 M- g# V* @; p$ v1 x5 t REMUS 100系列小型AUV： ' q: N8 r9 r, a: p# q
" a6 g8 c* q' s3 k/ p- _ 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。
4 W& a e# k& j' J/ P1 S: Z Gavia AUV系列小型AUV
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- d8 I- Q( A5 @- K$ e9 T 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。 & b/ I& T: \4 l$ ?1 X5 J
Bluefine 9 8 Y8 L4 S( |2 \! P. r" t# D8 Y9 g1 H
: S8 B, X/ @( X/ l' v3 j 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。 - Z# M. X0 [ `, G& ^" @5 Q: C' K' w
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。 . f9 k0 ?6 [! k( N. }' l! 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： ; e' z6 m+ H# z0 d9 m5 ]9 l" u0 N
01 体积小
& t, X4 h' d% K, I( S 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 B o& c/ O T; n& O( p1 w 02 重量轻
! k( {. X6 l4 }, p3 V5 g 小型AUV标准重量均在100kg以内，因此要求载荷的重量要轻；
. e) c. K1 Z3 |) _! G' G 03 功耗低 ) s l; q( O5 g8 V/ K, ^
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； , Z+ R* y* H! s+ E
04 性能高 8 L4 ?* T/ N6 B9 @( o; P5 Z
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 # g5 E" m" w3 @ Z8 _) t; N
05 兼容强
3 \7 `# ] Z7 Y0 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。
J5 c4 C. c/ D) L- y; l2 I 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。 . k( m; z' D* L# f' O- `3 s
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用 + n! r$ a4 l N/ 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： $ j; \# D7 b) n* A
) _3 e3 W$ g0 a1 c 01 嵌入式侧扫声呐系统设计 ; ~- k3 T3 T* 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。
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) ~" Q- `; I5 T 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。 X% F* \, ^. j4 g- p
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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电路模块
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) [. c3 S7 X; O3 ` 全屏蔽外壳
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高性能换能器与水密接口 & c8 d7 G) i% J+ N
02 嵌入式侧扫声呐安装设计 ' R( n: v" U2 l) p- D
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。 . d/ J4 O- U2 C6 S" E3 O6 k
（1）嵌入式安装方式
; V0 s& @/ i7 @: V% L( D 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： # P* H. ]) @; {$ Y' j. N* { X7 y
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（2）外置式安装方式 5 u) X. ?( _$ L) {8 c
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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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。
) C I- D4 N$ G8 T 03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计 3 L, p8 b% S- _6 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。 * i2 [# `: C2 O, {4 V0 c. w
（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。 % }( f) f4 Y+ T+ 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。
) ~7 k$ p" K8 M) ?% D （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" s( u5 Q0 Y$ R 04 开发总结与产品应用 ; \7 e3 i- a! R) x3 |: N8 `4 |2 M1 I
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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$ p4 m8 F1 C7 A1 m2 Q# Y# V3 s" t, e 嵌入式侧扫声呐的应用展望 2 ^, q- {4 e+ N( M2 a! K
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。
1 _( x2 `/ O7 |' @) U- a0 i& J 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。 c) j3 o& _* b0 a1 D
产品/技术问题解答
n9 P" s. n) r. F, [2 ]9 _ 赵工13911689871（微信同号）
2 h3 k" H7 U5 Q- \: n: i8 F 霍工18611176465(微信同号) 5 s$ j6 }+ j m+ G1 h" b. v' n( |
邮箱：sales@hydro-tech.cn , d `; I% z8 u) k" b4 I9 _
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