海空兩棲無人機研究進展及其在水下漫射衰減系數測量中的潛在應用

賀弢 劉帥偉 周淑媛 杜朗

摘? 要：水下漫射衰減系數（Kd）是海洋水色遙感和環境監測中的重要參數。目前Kd主要采用水下剖面測量的方式，需要人工手動根據深度需要進行布放和回收，作業過程相對復雜。基于發展越來越成熟的兩棲無人機技術，本文總結了相關國內外研究進展，接著探討了兩棲無人機在實現水下漫射衰減系數自動化、智能化監測中潛在應用，為水下光場監測和水色遙感深入應用提供支撐。

關鍵詞：兩棲無人機? 漫射衰減系數? 水色遙感? 智能觀測

中圖分類號：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0001-03

Research advances of Aerial-Submersible Vehicle and its Potential applications in diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance

He Tao1? Liu Shuaiwei2? Zhou Shuyuan1? Du Lang1

（1.Shenzhen Aerospace Smart City System Technology Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China; 2. School of Architecture and Urban Planning， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong

Province， 510301 China）

Abstract： The diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance （Kd） is an important parameter in ocean color remote sensing and environmental monitoring. At present， the method of underwater profile survey is mainly used， which requires manual placement and recovery according to the depth， and the operation process is relatively complex. Based on the development of more and more mature amphibious UAV technology， this paper summarizes the relevant research progress， and then discusses the potential application of amphibious UAV in the realization of automatic and intelligent monitoring of Kd. This work can provide support for the in-depth application of underwater light field monitoring and ocean color remote sensing.

Key Words： Amphibious UAV; Diffuse attenuation coefficient; Ocean color remote sensing; Intelligent observation

太陽光在水體的輻射傳輸過程中，水體各個組分（如浮游植物、黃色物質、泥沙等）與光線相互作用，經過吸收、衰減和散射等過程使得水下光場呈現出一定分布，其中后向散射部分形成離水輻亮度，并使得水體呈現出不同的“顏色”。因此離水輻亮度或者遙感反射率攜帶有水體組分信息，可用于水下光場估算或反演水體生態參數，是實現水質遙感監測的關鍵參數。水體漫射衰減系數（Kd）是描述水下輻照度隨介質路徑增加衰減的一種光學參數，與遙感反射率緊密相關[1]。建立漫射衰減系數與遙感反射率之間的關系，可以從水色遙感角度對水下光場分布特性進行研究，通過構建反演算法實現相關海域大時空尺度Kd的信息提取，彌補現場漫射衰減系數常規測量方法的不足，從而為大范圍水體環境調查和評價提供技術支撐。此外，Kd和透明度（Zeu）的研究對于理解海洋上層浮游植物光合作用，以及初級生產力、熱交換過程、近遠海的水體生態參數剖面變化等海洋物理和生物過程研究非常重要;在近海水質監測與管理中，Kd與Zeu有直接聯系，是水質參數重要的評判指標，可用來準確估算真光層深度，為海岸帶生態系統監管提供了關鍵信息[1-2]。

Kd的現場水下測量目前采用水下剖面測量的方式，由攜帶上行和下行的輻照度/輻亮度探頭測量不同深度的水下光學參數，進而推導出不同深度的漫射衰減系數。該測量方式需要人工手動布放和回收，作業復雜，尤其是在水深較淺的海域難以精確控制水下測量深度。隨著水下機器人和無人機技術的成熟，亟需一種自動化觀測和回收的平臺提高現場測量效率。海空兩棲無人機也叫潛空跨介質無人航行器，是一種能同時滿足水中、空中運動的需求，且能依靠自身攜帶的能源跨越水、空兩種不同介質，通過集成相應的傳感器能完成多種場合作業任務的無人飛行器，有望為水下漫射衰減系數的測量提供新的解決方案[3]。本文將梳理兩棲無人機的國內外研究現狀并探討其在Kd測量過程中的潛在應用。

1? 兩棲無人機國內外研究進展

海空兩棲無人機也被稱作海空跨介質無人航行器，可同時兼容水中和空中兩種運動模式，且能依靠自身能量多次跨越水、空兩種介質，通過集成和搭載相應的傳感器完成水中、空中作業任務的無人航行器。潛空跨介質航行器具有隱蔽性、靈活性，以及空中飛行器的快速性優勢，并可在單次飛行任務中完成水下和空中的作業，也因此引起了世界各國都對該類航行器的關注[3]。

縱觀海空跨介質兩棲無人機的發展歷程，大概可以分為概念設計階段、理論發展階段和樣機試研階段。20世紀30年代，蘇聯為了達成突襲作戰目的，提出載人“飛行潛艇”計劃，該計劃設計思路為首先從空中搜索和鎖定可疑目標，然后降落入水并潛入敵艦航路下埋伏，最終達到針對性突襲的效果。但由于當時技術條件限制，該計劃未進入工程化研發階段。20世紀70年代，美國提出一種大型潛水飛機的設想，該設計方案為建造一臺大空中作戰半徑、具有一定水下潛伏期的飛行器，然而由于動力系統難以實現有戰術價值的水下設伏，該項目僅完成了概念設計[3]。

21世紀以來，隨著自主控制、結構兼容性設計、新型材料、新型動力等技術的快速發展，尤其是無人機、水下自治機器人和仿生理論的逐漸成熟，越來越多的研究機構和部門對海空跨介質航行器進行理論研究、結構設計和概念機研發，部分單位制作了樣機并進行了初步海上試驗。根據運動結構，可將國內外已有的潛空兩棲航行器分為基于仿生的海空跨介質航行器和基于多旋翼的海空跨介質航行器。

1.1 基于仿生的海空跨介質航行器

當前國內外基于仿生和變體設計的跨海空航行器依然仍處于空域飛行能力、水下/空中運動能力及跨海空轉換能力的理論研究與現場驗證階段，已經研發出的可用于現場飛行的樣機很少。對于變體結構設計來說，其優點在于能適應在水下/空中運動對于動力和減少阻力的需求，通過調整形體結構盡可能地減小流體的沖擊力矩和航行時的阻力，但是鉸鏈結構在實現變體時需要較大的驅動力，當承受不確定的沖擊時易發生損傷或者對環境傳感器造成未知影響。對于仿生結構來說，基于通用的一套動力系統實現了水體和空氣介質中的推進，結構復雜且對控制系統要求也較高，尚不具備集成復雜海洋環境傳感器的能力[3-4]。未來需要在水上飛行適應性機理探索、概念設計、驅動系統兼容性、適應性變結構設計等方面進一步針對結構布局、動力能源及介質過渡方式等開展深入研究。

1.2 基于多旋翼的海空跨介質航行器

旋翼航行器通過控制一個或多個旋翼進行航行控制，具有垂直升降、懸停等功能，靈活性和控制性較高，可以作為在水和空氣環境中通用的一種結構，于近年來得到越來越多的關注和研究。多旋翼跨介質航行器是近幾年快速興起的一種動力推進方式，在平滑、可控、重復的跨域過渡方面具有優越性。目前國內外對該種驅動方式的航行器處于起步階段，在樣機研制和布局優化方面，我國仍與國外有一定差距[5]。由于需要更高的功率，尤其是對于懸停飛行模式和水下具有更大轉矩負載的運動模式，使得其功率消耗和耐久性受限等不足。

2? 水下漫射衰減系數的測量原理

以加拿大Satlantic公司的Profiler IIOCI/R-200 海洋光學剖面儀為例，該儀器設備有7個有效波段，中心波長分別為412nm、443nm、490nm、520nm、555nm、620nm和683nm，波段寬度為10nm。在現場布放儀器時，為了避免船體陰影對測量結果造成的影響，需要在船尾人工布放，同時儀器需要漂離船只40～50m。在布放和測量時，最大限度地保證剖面儀在下落過程中保持自由落體以實現光學探頭觀測角度垂直，為了防止觸底布放深度需要根據實際水深進行調整。數據后處理采用的是由Satlantic公司提供的Prosoft軟件或者自行編寫Matlab處理程序，遙感反射率、上行/下行輻照度、后向漫射衰減系數可由相關計算步驟得出，具體處理流程如下：（1）角度偏移校正，根據儀器自帶的姿態傳感器實測的X和Y方向的傾角測量，剔除角度偏移大于5o的數據;（2）數據同步，以觀測時間為基準使水下剖面測量部分和海表測量部分傳感器的測量數據保持一致并同步，為后續校正做準備;（3）深度校正，剔除depthn+1 < depthn的數據，同時補償氣壓偏移;（4）剔除數據異常點;（5）去除噪聲并進行數據平滑;（6）根據上行和下行的輻照度/輻亮度計算平均Kd（λ）;（7）計算離水輻亮度Lw（λ）和相應的遙感反射率光譜Rrs（λ），表示為Rrs（λ）= Lw（λ）/Es（λ）。

3? 潛在應用與關鍵技術

綜合前文分析，水下漫射衰減系數的測量需要滿足以下3個條件：（1）水下運動姿態穩定并保持水平;（2）具有數據自動采集和存儲的能力;（3）可進行多傳感器及集成并能完成水下剖面的光場測量。海空兩棲無人機平臺可在空中飛行，又能夠在水下潛航，配備多旋翼的兩棲無人機即可實現水下懸停、數據存儲和一鍵式返航，因此未來可以成為一種新的觀測系統，提高水下光場的觀測效率。

目前兩棲無人機的發展還不成熟，處于起步階段，距離完成現場光學測量應用仍有很多關鍵技術亟待突破。（1）外形與變體技術：航行器需能同時兼容空氣與海水2種流體介質，具備空中飛行、水-空跨越和水下潛航3種運動模式。因此，必須對空中飛行結構、水下潛航結構和水-空跨越階段的結構等進行優化，對于水下漫射衰減系數的觀測來說，多旋翼更能穩定姿態，有望成為水下觀測的最佳選擇。（2）水下姿態穩定技術：為了使跨介質過程中的始終滿足動力需求，實現不同運動模式時的穩定航行，必須構建和優化一套多運動模態、強魯棒性控制系統，完成不同模態下的自動控制、準確切換，解決水-空跨越時外界流體環境帶來的干擾和航行器姿態參數大范圍快速變化帶來的控制難題[6-7]。

隨著建模與仿真技術、航行智能控制技術、水下導航和通信技術的不斷進步，跨海空介質無人航行器將在海洋智能化觀測過程中起到越來越大的作用：在結構優化、動力推進系統合理布置、兼容水上水下工作模式控制器設計的基礎上，根據漫射衰減系數觀測任務的需求，通過多傳感器集成，推進海空一體化應用，實現光學傳感器集成-海洋光場數據采集-數據傳輸與處理-數據終端可視化;同時，深度融合潛在的應用場景，為海洋調查、應急監測、救援及科學研究等提供新的技術支撐。

參考文獻

[1] Wang Guifen，Zhou Wen，Xu Zhantang， et al.Vertical variations in the bio-optical properties of seawater in the northern South China Sea during summer 2008[J]. Acta Oceanologica Sinica，2020，39（4）：42–56.

[2] 趙文靜，曹文熙，胡水波，等.MODIS-Aqua漫射衰減產品Kd（490）在南海海域的精度對比[J].光學精密工程，2018，26（1）：14-24.

[3] 孫祥仁，曹建，姜言清，等.潛空跨介質無人航行器發展現狀與展望[J].數字海洋與水下攻防，2020，3（3）： 178-184.

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[7] 崔玉寧.仿生折疊傾轉三旋翼無人機設計與干飛運動控制[D].長沙：國防科技大學，2018.