水下无人航行器水声感知技术

1 绪 论
　　海洋是地球上**的资源宝库，是全球生命支持系统的重要组成部分。进入21世纪，人类面临着人口膨胀、资源短缺、环境恶化三大难题，陆地资源已经不能满足人类日益增长的需求，亟需向海洋拓展活动空间、寻求资源保障。认识海洋、开发海洋需要各种高技术手段，这些手段是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的伟大目标必不可少的。作为探索内空间重要手段之一的水下无人航行器(unmanned underwater vehicle， UUV)技术，它与探索外空间的运载火箭技术具有同等重要的意义。因此，水下无人航行器的发展一直被各海洋强国所关注[1-4]。
　　迄今为止在人们所熟知的各种能量形式中，声波是水媒质中**能够远距离传输的载体，水声技术是获取水下信息*为有效的手段。利用声波作为信息载体能够有效地对水中目标进行探测、定位、识别、跟踪并实现水下导航、测量与通信。声呐作为水下“耳目”，是水下无人航行器必不可少的一种观通设备，其在军事国防与国民经济建设中具有重要的地位与作用。随着水下无人航行器的不断发展，与之匹配的声学技术与声学设备也随之迎来新的发展契机[5， 6]。
　　1.1 水下无人航行器发展情况
　　近年来，随着新材料、新能源、人工智能技术的不断进步，以及各国对战场低伤亡率的追求，水下无人航行器成为世界各国争相研制的“热点”装备。水下无人航行器是一种能够在水下自主航行并回收的智能化装置，它借助母平台可以搭载多种传感器、专用设备或武器模块的载体，按照事先设定的程序，或者由人工遥控，完成水下环境探测、目标识别、情报收集和数据通信等使命任务，极大地扩展了水面船只的考察范围，提高了工作效率[7-9]。
　　水下无人航行器以其自主性、灵活性和多用途性，在海洋科学研究、海洋工程作业及国防军事等领域中具有越来越重要的地位。根据自主性等级，可将水下无人航行器分为遥控式水下无人航行器(remotely operated vehicle， ROV)和自主式水下无人航行器(autonomous underwater vehicle， AUV)两类。其中，ROV拖带有用于控制和动力的光电缆，由人工进行控制；AUV则自带能源动力，采用自主控制模式，可广泛应用于水下侦察、目标探测、跟踪与识别、猎/扫雷、通信中继等方面。
　　水下航行器在很大程度上反映了一个国家海洋科技的发展水平，受到了世界各国的重视。自20世纪60年代以来，世界上约20个国家发展了近200种水下无人航行器，服务于军事、海洋工程应用等领域。目前，除我国外，国际上正在从事航行器技术研究和应用的国家包括挪威、美国、法国、英国、意大利、葡萄牙、日本等。其中，挪威和美国对水下无人航行器的理解较为深刻，在实际应用方面处于领先位置。国内对水下无人航行器的研究起步比较晚，20世纪80年代，以中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学为首的主要研究机构开始研究水下无人航行器。中国科学院沈阳自动化研究所于1994年率先研制的“探索者”号无缆水下无人航行器，安装了多普勒声呐、侧扫声呐等7部声呐，工作深度达到1000m，实现了我国水下无人航行器从有缆向无缆的飞跃，在我国水下无人航行器的发展史上具有里程碑意义。90年代中期，中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯海洋技术问题研究所、中国科学院声学研究所等单位合作，成功研制了6000m级自主式水下无人航行器CR-01与CR-02。“十二五”期间，在国家海洋局和中国科学院的大力支持下，中国科学院沈阳自动化研究所研究开发了以“潜龙”系列AUV为核心的我国深海资源自主勘探系列装备和以“探索”系列AUV为核心的我国海洋科学研究自主探测系列装备。由哈尔滨工程大学研发的“智水”系列智能水下无人航行器代表了我国军用AUV的先进水平，该系列AUV可用于海域扫雷、自主巡航等。
　　随着科技的不断发展，未来水下无人航行器将朝着小型化、智能化、远程化、集群化等方向发展，实现安全高效、精细化探测、远程作业及组网监测等，进一步满足海洋科学研究、海洋工程作业及军事国防等领域的需求。
　　1.2 声学设备在水下无人航行器中的应用
　　能源、自主控制、导航、通信及任务载荷是水下无人航行器关键的5个系统，其中，能源是心脏，自主控制是大脑，导航和通信是感官，任务载荷是手足，分别完成不同的任务使命。水下无人航行器的导航、通信与任务载荷都离不开声学设备。声呐是英文sonar的音译，凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通信的系统，广义上都可称为声呐系统。根据功能的不同，水下无人航行器声呐设备主要分为探测声呐、导航声呐和通信声呐三大类。
　　探测声呐主要用于探测水中目标信息，对水下地形、地貌、地质进行勘察和测绘，包括侧扫声呐、多波束测深声呐、前视声呐、测深侧扫声呐、浅地层剖面仪、合成孔径声呐等。导航声呐为水下无人航行器的安全航行和执行作业任务提供其位置、航向、深度、速度和姿态等信息，包括声学多普勒计程仪、声学多普勒流速剖面仪、长/短/超短基线定位声呐等。通信声呐则主要用于水下无人航行器与协同行动的其他水下无人航行器、母船(艇)或通信浮标之间的信息链接，包括短/中/远程通信声呐系统。
　　声呐系统为水下无人航行器在水下工作环境提供了“耳目”，使其能够长期稳定地进行水下全方位、连续的观测与作业，进一步提高了水下无人航行器的工作能力。以我国“潜龙一号”水下无人航行器为例(图1.1)，其作业时定深或定高航行，水下无人航行器上安装的测深侧扫声呐实现海底地形地貌的探测，浅地层剖面仪实现浅地层地质结构的探测，多普勒计程仪实现水下无人航行器对底航行速度和近海底流速的测量，避障声呐则实现水下无人航行器前方、下方和前上方等多个方向障碍物距离的检测。同时，安装在舱内的声学控制器对水下无人航行器安装的姿态传感器、温盐深剖面仪、压力传感器、定位传感器等的输出数据进行时标标定和保存。当水下无人航行器回收至甲板后，水上控制系统完成数据的导出、入库、处理和成图等工作，*终完成水下无人航行器的一次作业过程。
　　图1.1 “潜龙一号”水下无人航行器声学探测声呐分布图(见书后彩图)
　　1.3 国外典型水下无人航行器装备声学设备及其性能指标简介
　　声呐设备是水下无人航行器完成使命任务的主要保障手段，针对水下无人航行器执行任务的不同，应装备不同的声呐系统。声呐系统的技术指标在很大程度上决定了水下无人航行器的性能，是水下无人航行器装备发展的关键。以下将对国外典型水下无人航行器装备的主要声学设备进行概述并简要介绍其性能指标。
　　1.3.1 避障声呐
　　水下无人航行器在水下工作时，利用前视声呐等传感器能够及时、准确、隐蔽地获取环境信息。避障声呐是前视主动声呐的一种，作为水下无人航行器的视觉传感器，其在水下无人航行器安全航行中不可或缺。避障声呐对于船舶安全航行、海上设施安全作业、海洋开发等领域有着重要的意义和广泛的应用价值[10-12]。
　　目前，市面上较成熟的小型化扫描前视声呐产品以Teledyne BlueView公司研制的二维和三维高频避障声呐产品较为突出，其不仅体积小而且功耗非常低，特别适合安装在小型水下无人航行器中。英国Tritech公司Micron型机械扫描声呐是世界上*小的数字线性调频[又称为啁啾(Chirp)信号]声呐，非常适合小型遥控式水下无人航行器使用，是一种常用的避障声呐。与传统扫描声呐相比，Chirp技术具有较高的距离分辨率，并且利用数字声呐技术(digital sonar technology， DST)提高了图像的清晰度和分辨率，Micron型声呐可以安装在Atlas Elektronik GmbH公司的SeaCat AUV设备上进行探测。表1.1介绍了目前国外几款典型设备的主要技术指标，实物图如图1.2所示。
　　表1.1 目前国外几款典型设备的主要技术指标
　　图1.2 国外几种典型水下无人航行器搭载的避障声呐实物图
　　1.3.2 测流测速声呐
　　随着水下无人航行器的快速发展，为保证航行安全和规划航线的准确实施，水下无人航行器要实时获取自身的速度、位置等信息，测流测速声呐作为测量流场流速和水下无人航行器速度的测速设备，已获得了广泛的应用[13，14]。美国Teledyne RDI公司生产的多型ADCP系列产品主要用于生物海洋学、航海安全、深海和中深海的海流中长期测量等。
　　Teledyne RDI公司的多普勒测速仪(Doppler velocity logs， DVL)结构紧凑，与常规测速仪相比，其尺寸和重量显著减小，并且能够实现与其他装载传感器[如温盐深(conductivity， temperature， depth， CTD)剖面仪、全球定位系统(global positioning system， GPS)]进行通信，可应用于水下无人平台(如可安装在Atlas Elektronik GmbH公司的SeaCat AUV上进行探测)。多普勒测速仪主要技术指标如表1.2所示，实物图如图1.3所示。
　　表1.2 多普勒测速仪主要技术指标
　　图1.3 多普勒测速仪实物图
　　1.3.3 侧扫声呐
　　20世纪50年代，为了更好地探测海底地形地貌，寻找丰富的海洋资源，英国海洋地质学家*早提出侧扫原理，他们在海上用两艘船分别在船侧拖曳一个换能器，在船的对应一侧接收回波来探测海底地形地貌。1962年以后，英国、美国、法国等国陆续开发出各种产品，*初的产品是舷挂式侧扫声呐，后来又出现了拖曳式侧扫声呐。80年代以后，计算机技术广泛应用于侧扫声呐，到90年代，国内外出现了一系列数字化的侧扫声呐，使侧扫声呐技术上了一个新台阶。侧扫声呐由换能器基阵、收发机和记录器组成，可判断目标的位置、形状和高度，主要用于快速环境评估、水文调查、地球物理调查等[15，16]。
　　国际上成熟的水下无人航行器产品一般均可搭载侧扫声呐、多波束等多个传感器，借助水下无人航行器可提高侧扫声呐的定位精度。目前国外侧扫声呐仪器生产商主要以Klein和EdgeTech两大公司为主，其产品各具特色。表1.3列出了