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    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

    2021-11-23 09:11:12 来源:
    聊聊

    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:

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    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

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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。

    Bluefine 9

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    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。

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    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:

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    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:

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    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。

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    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。

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    电路模块

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    全屏蔽外壳

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    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:

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    (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:

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    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:

    我们分析了7款国内外主流的小型AUV嵌入式侧扫声呐产品

     

    嵌入式侧扫声呐的应用展望

    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

    赵工13911689871(微信同号)

    霍工18611176465(微信同号)

     

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