便攜式AUV水下目標搜尋能力的實現與測試

隋海琛

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

近年來，自主水下機器人在近海、近岸搜救任務中發揮著十分重要的作用。AUV通過搭載聲、光、電、磁等載荷設備可完成水下搜尋、近海調查、環境保護與監測、反水雷(MCM)、港口安全、未爆炸彈(UXO)處理、快速環境評估(REA)、監視和偵察(ISR)等多種任務[1]。隨著水下探測聲吶設備和水下高精度組合定位設備的小型化、智能化、一體化，國外海洋科學研究機構和公司陸續推出了多款便攜式水下探測型AUV產品，如Bluefin-9M、REMUS100、Gavia Surveyor、Alister-9、OceanServer Iver3-580等，其外徑大都低于200 mm、重量約50 kg，通過1～2人即可完成AUV的收放、數據采集和處理任務[2]。而輕型(300 kg級)、重型(1 t級)、大型(10 t級)AUV由于搭載能力強、工作深度大、續航能力長等，主要完成海洋調查、科學研究、深水搜尋等任務[3]。

受設備研制水平和高性能設備進口限制的原因，國內尚無穩定成熟的、50 kg級的便攜式水下探測型AUV[4]。實際應用中仍主要采用輕型以上級別AUV進行水下環境測量和搜尋掃測作業，AUV重量多在300 kg以上，需要配備專門的船舶、吊架才能收放，大大限制了AUV在國內近岸水下探測中的應用[5]。

針對小型AUV、無人船的測量應用，國內已研制成功600 kHz輕便型多波束聲吶和側掃聲吶(平均能耗約80 W)模塊，并可根據AUV外形進行OEM定制，使國內便攜型AUV實現水下目標探查成為可能。

1 AUV系統

中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學、中國海洋大學、西北工業大學等單位都開展了便攜式AUV的開發和應用工作，通過搭載溫鹽深、聲吶等傳感器完成海洋環境調查任務[6]。

交通運輸部天津水運工程科學研究所開發的“天科探海一號”AUV，主要應用場合是300 m以淺水域的水下應急搜救，是一套低成本、小尺寸自主式水下航行器，其在結構、硬件、軟件上的模塊化設計為靈活搭載各種水下探測設備提供了便利。

1.1 “天科探海一號”AUV

“天科探海一號”AUV主體直徑200 mm，長度2 250 mm，重量65.58 kg(含探測聲吶)，工作航速3 kn，續航力8 h。考慮到低速遠程的特點，外形設計采用低阻流線型回轉體結構，推進系統采用槳后舵操縱面設計、磁耦合免維護推進器，能源系統采用鋰離子電池獨立成組供電。

“天科探海一號”AUV殼體采用防銹鋁合金鑄造，整體密封，分為艏部艙段、探測艙段、主控艙段和推進艙段(如圖1所示)。各艙段間采用直插式楔形連接方式，保證良好的整體外形，并方便模塊互換和功能艙段擴展。每個艙段均采用零浮力衡重參數配置，降低系統衡重調整的復雜性。

圖1 “天科探海一號”總體結構圖

圖2為“天科探海一號”AUV的主要設備組成。推進艙段采用單槳推進方式，配合艉部水平、垂直槳后舵，可以靈活實現水下定深、定向、定高、軌跡跟蹤。艏部艙段采用球形殼體，安裝避碰聲吶和水聲通信聲吶，實現對AUV前方障礙物的探測、水下實時位置匯報和接收陸地控制系統的指令。主控艙段安裝了智能駕駛儀、NavQuest 600 Micro型多普勒計程儀(DVL)、GIF6536A型光纖慣導系統(SINS)、Novatel衛星導航系統(GNSS)、壓力計、無線電、漏水報警等控制及導航通信設備，自主導航精度優于0.5%×自主導航距離(CEP)，滿足水下探測定位精度要求。探測艙段包括多波束聲吶和側掃聲吶這兩款探測聲吶以及Valport miniCTD型溫鹽深儀。

圖2 “天科探海一號”設備示意圖

1.2 一體化探測聲吶

圖3 一體化探測艙段

探測艙段采取了外形一體化共形陣安裝技術(圖3)。共形陣指安裝在潛器艏部的聲學陣，其外形完全按照潛器的外殼形狀進行復制[7]。將側掃聲吶和多波束聲吶的換能器按照AUV的外形進行制作，不會降低AUV的流體性能，有效減小了航行阻力、提高推進效率，并保證了聲吶信噪比。其中多波束聲吶采用T型布陣的結構，側掃聲吶采用雙排對稱結構。多波束聲吶與側掃聲吶之間采用高精度、低溫漂的恒溫晶體振蕩器進行時鐘同步[8]。

為避免推進艙段螺旋槳噪聲干擾，探測艙段布置于AUV前部，具有最佳的流體噪聲抑制能力，又能夠最大限度地提高換能器的探測靈敏性。

為了與AUV外形相匹配，多波束聲吶換能器采用圓弧型陣，如圖3所示。工作頻率為600 kHz，波束192個，波束寬度1°×0.5°，最大開角160°，探測量程達150 m。通過探測艙段頂部安裝的溫鹽深儀，可方便地采用聲速經驗公式計算表層聲速與聲速剖面，從而保證獲得高精度的多波束水深數據。聲速經驗公式常用的約10種，可根據不同的情況選擇不同的公式[9]。

側掃聲吶換能器為雙排均勻線陣結構，每條水平陣的長度為400 mm，如圖3所示。工作頻率為600 kHz，探測量程150 m，垂直開角不小于 45°。通過采用自適應孔徑成像技術，可獲得恒定線分辨率為5 cm×2 cm，像素精度達2 cm×2 cm。多波束聲吶和側掃聲吶的電子系統及控制系統安裝在一體化探測艙段內。聲吶電子系統負責驅動聲吶基陣發射聲波、接收聲信號并將聲信號進行模擬和數字處理，最終輸出海底地形和圖像。聲吶控制系統負責與AUV主控計算機進行通信及時間同步，采集聲吶數據與導航數據，并將數據存儲在一塊2 TB容量的硬盤內。

1.3 聲兼容、電磁兼容處理

“天科探海一號”AUV中，集成了多波束聲吶、側掃聲吶、水聲通信聲吶、避碰聲吶、DVL等多類聲學設備，部分聲學設備的頻段存在交叉。為了避免設備之間的干擾，綜合采用了結構設計、頻段選擇、信號處理、同步控制、屏蔽處理等方法解決聲兼容、電磁兼容可能存在的問題。

結構設計方面：根據各類聲學設備的垂直向開角、水平向開角、頻率等多個參數，將不同的聲學設備從空間上隔離開，將相近或倍頻范圍的聲學設備拉開空間距離(線性距離或者空間角距離)。

頻段選擇方面：多波束聲吶、側掃聲吶、DVL的頻段都在600 kHz左右，在硬件設計時采用寬帶換能器[10]，通過軟件控制使探測換能器發射和接收不同頻段的信號，并與DVL的工作頻段分開。

信號處理方面：采用CW、FM等多種不同的信號體制，通過信號采集和處理模塊抑制殘留的聲干擾[11]。再通過增益控制、濾波處理、信號調理等手段，抑制干擾的相互作用，把影響降低到最低。

同步控制方面：在系統設計和模塊選型的過程中，選擇的設備均帶有同步接口，可以同步各系統的發射周期。通過設置同步控制器，可以使各個聲學設備同步或延時同步工作，避免收發干擾。

屏蔽處理方面：電磁干擾，主要來源于系統供電、大功率負載、射頻干擾等設備。艙段中采用規范的濾波、接地和屏蔽方法，并為側掃聲吶、多波束聲吶、水聲通信聲吶的電子艙加裝屏蔽外殼。

2 設備安裝校準

導航設備和探測聲吶是AUV實現水下目標探查的核心裝備。為了獲得準確的地形地貌測量數據，必須獲得各個設備的安裝誤差。由于所有設備都進行了時間同步，可認為延時誤差已被修正。

2.1 導航設備校準

GNSS/SINS/DVL組合導航方式，是目前便攜式AUV的主要定位方法。AUV在水面能接收到GNSS信號時使用衛星定位，AUV在水下無GNSS信號時則利用SINS、DVL進行航位推算定位。

圖4 導航設備標定試驗

在設備安裝時，要求SINS、DVL的艏向及姿態與AUV盡量保持一致。以SINS中心作為AUV的坐標原點，精確量取GNSS天線和DVL的安裝位置偏差。在條件允許的情況下，可采用坐標測量機、激光跟蹤儀、光學掃描儀等精密測量方法。

SINS的安裝角度偏差和DVL的測速系數，需要通過水下航行測試進行計算和驗證[12]。為了使得測量的數據更準確，需要AUV做多種航向的航行(例如平行于東方向、平行于北方向、與南北方向夾角45度等)，而且入水和出水點的直線距離應盡可能遠一些。

在湖試過程中進行了“天科探海一號”AUV自主導航傳感器標定、DVL測速性能標定以及自主導航精度驗證測試試驗。通過執行直線、轉彎、下潛、攀升等測線(圖4)，并將全部測線中的偏角求取平均即可得到需要的數據，測出SINS的艏向偏差值為-2.36°，DVL的測速系數為0.994。經改正后，測試航程2 000 m，誤差為7.53 m，導航精度為0.36%自主航程，滿足探測聲吶定位需求。

圖5 多波束聲吶校準測線示意圖

2.2 聲吶設備校準

首先通過機械設計和安裝固定，確保多波束聲吶和側掃聲吶的換能器與AUV之間的艏向及姿態偏差均小于2°。采用精密測量方法，精確量取各個換能器與SINS中心之間的空間關系，然后通過水下校準測試對換能器的角度偏差進行進一步計算和驗證。

多波束聲吶的水下校準測試是為了得到換能器相對于AUV的橫搖、縱搖、艏向偏差，其工作方法與船載多波束聲吶是一致的[13]。即完成聲速剖面測量后，選擇地勢平坦的水域，往返測線進行橫搖偏差校準；選擇地勢變化的水域，往返測線進行縱搖偏差校準，平行測線進行艏搖偏差校準(圖5)。通過湖試數據計算得到，橫搖偏差為0.05°，縱搖偏差為-1.20°，艏搖偏差為0.87°。

6-a 左側校準 6-b 右側校準

側掃聲吶的水下校準測試主要是為了得到兩側換能器分別相對于AUV的艏向偏差。湖試過程中，將一個強反射目標(如空心鋼球等)沉入水底，在目標周圍10 m、15 m、20 m、25 m的距離分別布置測線，如圖6所示，其中左側校準的測線為逆時針，右側校準的測線為順時針。每側測試有16條測線，雙側共32條測線。取32組成像結果中的目標位置的平均值作為真值，統計每側16組定位結果與真值之間的誤差，根據誤差的均值計算得到換能器的艏向偏差。其中左側換能器艏向偏差為0.16°，右側換能器艏向偏差為0.28°。

3 水下測試

2019年7月，“天科探海一號”AUV在近海進行了水下測試，水深約30 m。

3.1 水下地形探測

按照布置好的航線，以固定航速進行測量，完成6條測線的多波束聲吶測量(圖7)。對于每條測線，保留±72°波束范圍內的所有有效波束點。每次選擇2條測線，對比重疊部分的水深，統計水深比對不符值的點數。在重疊區域水深比對時，對于兩個文件中的點，當平面位置距離小于0.5 m時，認為是同一位置點，對其深度進行比對。按照以上方法，得到6組對比結果，統計結果如表1所示。可以看出，以上6組對比結果，超限點(大于±0.20 m)比例最大值為3.08%；6組合并統計時，總比對點數為316 109，超限點數量僅為9 032，超限點比例為2.86%。

表1 測深誤差測定統計表

3.2 水下地貌探測

在多波束聲吶測量的同時，采用側掃聲吶進行海底地貌測量，可根據海底跟蹤結果自動設置增益、TVG等圖像參數。測量區域缺少明顯地物，但漁業活動形成的錨溝發育豐富。通過錨溝清晰度和位置的對比，驗證測量結果的可行性。

從圖8中可以看出，海底地貌效果清晰，不同測線得到的錨溝位置完全吻合，實現了側掃聲吶無形變、無錯位的自動圖像拼接，解決了傳統的拖曳式側掃聲吶由于位置、姿態誤差的限制而造成的聲吶圖像變形、目標位置偏差較大的問題。

4 結論

“天科探海一號”AUV采用模塊化平臺設計、共形陣聲吶安裝和聲信號兼容處理等技術，實現了多波束聲吶和側掃聲吶在便攜式AUV上的搭載，其中多波束聲吶主要應用于海底地形測量，而側掃聲吶主要應用于海底地貌成像，二者相互驗證可有效提高海底面探測的精度與效率。

模塊化設計使“天科探海一號”AUV成為了一個開放式平臺，可使平臺的負載能力得到充分利用，能夠根據工作需求執行多樣性探測任務。共形陣聲吶安裝能夠減小航行阻力、提高推進效率、抑制流體噪聲，有效提高了淺海環境下的探測性能。聲信號兼容處理避免了設備之間的干擾，使頻率接近的多波束聲吶、側掃聲吶、DVL能夠同步協同作業。

“天科探海一號”的主要用途是利用成像聲吶實施水下應急搜尋探測，要求AUV的探查結果能以一種精確有效的方式展現出來，便于水下目標的探查、分類、判圖、識別和定位。在以后的研究工作中，應進一步提高AUV導航與探測的精度，并加強AUV在海上使用環境中長時間使用的可靠性及環境適應性，使便攜型AUV擁有更加廣闊的應用前景。