引言
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。
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。
小型AUV与嵌入式侧扫声呐概述
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:
REMUS 100系列小型AUV:
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。
Gavia AUV系列小型AUV
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。
Bluefine 9
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。
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。
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:
01 体积小
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;
02 重量轻
小型AUV标准重量均在100kg以内,因此要求载荷的重量要轻;
03 功耗低
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;
04 性能高
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
05 兼容强
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。
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。
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。
海卓ES系列嵌入式侧扫声呐研发与应用
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:
01 嵌入式侧扫声呐系统设计
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:
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、基于FPGA的多频点数字滤波技术和高集成度宽频数字发射技术进行了深度的融合,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。
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。
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。
电路模块
全屏蔽外壳
高性能换能器与水密接口
02 嵌入式侧扫声呐安装设计
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)嵌入式安装方式
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:
(2)外置式安装方式
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:
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。
03 嵌入式侧扫声呐SDK软件包设计
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。
(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)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)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。
04 开发总结与产品应用
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:
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。
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、水下机器人侧扫声纳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。
产品/技术问题解答
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