论文专区▏AUV搭载多波束声纳进行地形测量的现状及展望

【编者按】多波束声纳是一种常用的水底地形测量设备，AUV搭载多波束声纳对深海地形进行测量得到了普遍应用。该文首先介绍了目前国内外AUV搭载多波束声纳在地形测量中的应用情况，然后总结了这种方式的高效率、高质量、高经济性等优点，并分析了导航定位精度、载体运动、系统兼容性等方面对于提高测量精度存在的技术难点，最后介绍了该技术的应用经验，并对该技术的未来应用前景进行了展望。本文发表在《海洋测绘》2016年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。李岳明，男，1983年出生，黑龙江勃利人，哈尔滨工程大学船舶工程学院，讲师，博士，主要从事AUV体系结构与运动控制研究。

文/李岳明 李晔 盛明伟 孙玉山 张国成

一、引言

水底地形测绘对于科学考察及水下工程具有重要意义^[1-3]。目前，多波束声纳（Multi-Beam Echosounder, MBE）是目前水底地形测量中使用较多的声学设备^[4-6]。多波束声纳相对于单波束测深而言具有质的飞跃，通常一个PING即可完成一个条带上几十、几百甚至上千（相干型）个点的水深精确测量^[7-8]。自治式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）自身携带能源与探测设备，能够实现自主航行与探测作业，人工干预少，母船要求低，十分适用于水下大面积探测与数据采集作业，AUV已经成为海洋科学考察与水下工程的重要装备。随着自治式水下机器人技术的成熟，AUV搭载多波束声纳（AUV&MBE）对水底地形进行测量成为了新的选择^[9-11]。本文首先总结AUV&MBE地形测量国内外研究现状，介绍现有AUV&MBE的系统构成及探测结果；对于该测量方式与传统水面船或拖鱼的测量方式进行对比，分析的AUV&MBE系统的优缺点；对AUV搭载多波束声纳所带来的问题进行了分析，指出了技术难点；最后对于AUV&MBE的应用进行了展望。

二、AUV&MBE地形测量国内外研究现状

⒈ 国外研究现状目前，国外有多个型号的AUV搭载MBE进行海底地形测量研究与提供商业服务。下面列举国外具有代表性的AUV&MBE。美国Hydroid公司的REMUS（Remote Environmental Monitoring Units）系列AUV，共有REMUS-100，REMUS-600和REMUS-6000等多个型号，2007年被挪威Kongsberg收购。REMUS AUV性能卓越，已经被多国采购。REMUS系列AUV可搭载GeoSwathPlus 多波束声纳或测深侧扫声纳。见图1。

 图1 REMUS6000及其探测的海底地形示意图美国Bluefin Robotics公司研制的Bluefin系列AUV，包括Bluefin-9、Bluefin-9M、Bluefin-12S、Bluefin-12D、Bluefin-21，其中Bluefin-21直径0.53m，长4.93m，空气中重量750kg，下潜深度4500m，3kn航速下续航力25h，搭载了Reson SeaBat 7125多波束声纳。见图2。

图2  Bluefin-21与测量结果（沉船）示意图英国研制的AUTOSUB系列AUV，已成功地进行了多次海洋探测，特别是冰下探测,其控制和导航系统经受住了严峻的考验。目前研制的AUTOSUB-6000是英国最新的潜水器，长5.5m，直径为0.9m，重2800kg，最大潜深达6000m，在2节的航速下续航力为400km，搭载了KongsbergEM2000多波束声纳。见图3。

 图3 “AUTOSUB”AUV及其探测的海底地形示意图挪威Kongsberg公司先后推出HUGIN系列AUV，下潜深度分别为1000m、3000m、4500m、6000m。其中，HUGIN3000型已经为8个国家完成了约3万千米的海底地形调查以及多项水下探测作业项目。HUGIN3000潜水器长5.35m，最大直径1m，空气中重量1400kg，以4kn速度航行，工作水深3000m，携带的电池可维持大约40h的水下自主航行，续航力约为290km，搭载EM2040多波束声纳。见图4。

图4 HUGIN3000与地形测量结果示意图冰岛Hanfmynd Ehf公司的开发的便携式模块化AUV Gavia，基本配置长度1.7m，直径0.2m，重量44kg，最大工作深度2000m，可选装GeoSwath多波束声纳。⒉ 国内研究现状我国从上世纪80年代开始研究AUV技术，已经取得了重要的研究成果。90年代初，中科院沈阳自动化所、哈尔滨工程大学等单位与俄罗斯联合在俄罗斯的MT-88水下机器人基础上，针对我国对国际海底资源调查的需要，研制开发了“CR-01”和“CR-02”型潜深6000m、续航力约50公里的无人无缆潜水器，并成功的应用于太平洋某区域的深海考察。十二五期间，哈尔滨工程大学联合华中科技大学、中船重工集团第702和709研究所，共同开展了智能水下机器人技术研究，研制了智水系列AUV、微龙系列AUV、海洋探测潜水器（1000m和2000m）、“863”计划300kg级AUV，搭载了GeoSwath和SeaBat7125 MBE，开展了地形测量试验研究。

三、AUV&MBE地形测量优点

⒈ 地形测量优点⑴更好的数据质量使用深拖系统进行深海地形测量时，由于拖缆较长，拖鱼很难保持在要求的航线上，特别是在有海流的情况下，拖鱼往往被推离预定航线上百米之外。而AUV却能够通过调整艏向，以较高的位置精度保持在设定航线之上，即使有海流作用航线偏差仍然能够保持在几米的范围内，从而获得期望的海底数据信息。当海底起伏不平时，拖鱼无法保持距海底的高度，影响到测量质量及交叉覆盖率，并且存在与海底碰撞的危险。而AUV却能够自动跟踪海底起伏变化，随时调整自身距海底的高度，从而获得高质量的数据。另外，与船载多波束系统相比，AUV可以得到更高分辨率的多波束数据。⑵更高的作业效率首先，AUV能够以3～4kn的速度探测，比深拖系统的2.5kn探测速度更快。其次，深拖系统在完成一个设定航线的探测后转入下一个设定航线时，为保证拖鱼不与海底相碰，必须通过绕半径几十千米大弯的方式回转，往往需要2～6h来完成一次180°的转弯运动，几乎50%的时间是用在了航线转弯上。而AUV却能够快速转弯，仅需要几分钟的时间就可进入下一个设定航线，大大提高了探测效率。⑶更高的经济效益对于采用具有动力定位母船的ROV系统来说，除了母船的使用成本高以外，由于系缆的羁绊，ROV行动缓慢，效率低、时间长，从而导致总成本上升。对于深拖系统，在深度不足800m时，可以通过拖船上的声学设备对拖鱼进行定位。但是，在超过800m的更深水域，需要使用长基线（LBL）或使用另外一艘船对拖鱼进行定位。长基线精度最高，但是费用最高、耗时。因此，一般采用两艘船舶同时作业，一艘作为拖船，一艘为拖鱼定位。相比之下， AUV能够自主航行在规定的航线上，一般只需要一艘水面母船进行实时监控，这就大大地降低了使用成本。⒉ 地形测量技术难点⑴AUV水下长时间的导航精度问题AUV一般采用捷连惯导结合速度补偿的导航方式，长时间水下航行存在导航误差的时间漂移问题；另外深海作业时，在下潜阶段由于DVL底跟踪失效，水跟踪或漂浮物跟踪测速不准，此时速度补偿基本无效，因此导致AUV作业起点坐标存在偏差。由于AUV导航系统的偏差，导致MBE测试数据无法与准确的定位信息匹配，因此地形测量是不准确的。目前，采用的解决办法是使用长基线（Long Base Line，LBL）或USBL（Ultra Short Base Line，USBL）声纳系统进行辅助导航。使用LBL时，AUV作业前在作业区域布置声纳信标，通过水面船对信标进行标定后建立类似GPS的水声定位网络，AUV作业时解算相对多个信标的距离，由于信标位置已知，从而计算出AUV的准确位置。使用USBL时，AUV下潜至目标深度后，按照规定的航行路径航行，水面船搭载USBL基阵对AUV携带的水声信标进行跟踪定位，然后通过水声通信将信标的绝对位置坐标发送至AUV，从而完成AUV导航系统校正。到达作业深度后，DVL基于底跟踪的速度补偿生效，并且AUV导航系统经过校正，此时MBE地形测量的准确性是可信的。⑵AUV载体运动对测量质量的影响AUV航行过程中姿态对于MBE探测质量具有重要的影响。俯仰运动导致波束不是垂直到达底部，因此波束脚印对水底的覆盖是不均的，同时测得的深度信息也是不准的。横摇运动对于MBE测量精度影响很大，一般可影响波束形成，使测量精度降低，而对于相干型的多波束声纳的影响更大，若横摇运动没有及时补偿，将无法进行正确的相位比较，从而导致大量的野点产生，水底剖面无法形成。因此，使用MBE进行地形测量作业时，AUV航行姿态必须稳定或缓慢的变化，这要求AUV设计时对载体稳心高、执行机构、控制参数、姿态传感器输出频率等方面进行特别的考虑。⑶MBE与AUV的系统兼容问题MBE对于定位、姿态、能源、水声环境等方面有特殊的要求，因此，与AUV进行集成后会产生一系列的兼容性问题。①时间同步问题。由于MBE探测数据一般先保存至磁盘文件然后再进行后期处理，因此在数据采集、记录及处理过程中水底剖面深度数据、定位信息、姿态信息、深度信息、表面声速信息等必须保持同步，否则影响测量精度、水底剖面变形、波束无法形成，更严重的是数据无法处理或无法记录。解决办法就是使用统一的时钟信号，将各种传感器信息进行同步处理。②水声兼容问题。由于AUV搭载了除MBE外多种声纳设备，例如DVL、高度计、USBL、避碰声纳、前视声纳、通信声纳以及侧扫声纳、浅层剖面声纳、合成孔径声纳等声纳设备，其中的一个或多个声纳设备与MBE的频率相同、相近，或者为倍频关系，此时不同设备的水声信号将相互干扰，导致测量质量下降。可采用时间片轮转的方式，轮流触发相互干扰的设备。③电磁兼容问题。MBE设备本身平均功率较大，一般不小于100W，在发声时瞬时功率增大几倍，导致供电系统的电压及电流产生波动。另外，AUV搭载了无线电、WiFi等电磁波通信设备，以及螺旋桨电机、步进电机，这些设备产生的电磁干扰会从空间、外壳、电缆等途径对MBE进行干扰。因此，在AUV设计过程中对于电磁兼容问题需要加以考虑。

四、AUV&MBE地形测量应用

哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室是国内较早开展AUV研究的单位之一，近30年来在AUV领域取得了一系列研究成果。⒈ AUV&GeoSwath地形测量“海灵”号AUV是863计划项目成果，是科技部支持的“300kg级AUV”项目之一，目前已完成南海试验。该AUV长4.6m，直径0.53m，空气中重量380kg，最大航速5kn，巡航速度2kn，巡航力200km，工作深度1000m，搭载设备包括Phins、DVL、深度计、高度计、GPS、铱星、无线电，锂电池供电，单主推螺旋桨加水平舵和垂直舵布置。2007年引进国内第一台AUV型GeoSwath声纳系统，2014年进行了升级改造，“海灵”号AUV和地形测量结果见图5。

 图5 “海灵”号AUV和地形测量结果⒉ AUV&SeaBat7125“橙鲨”号AUV是工信部高技术船舶计划项目成果，目前已完成南海试验。该AUV长5.66m，直径0.82m，空气中重量1400kg，最大航速7kn，巡航速度3kn，续航力200km，工作深度2000m，搭载设备包括Phins6000+DVL、深度计、高度计、避障声纳、前视声纳、水下摄像机、水下灯、USBL、GPS、北斗、无线电、WiFi、水声通信声纳、侧扫声纳、浅剖声纳（可选），锂电池供电，单主推、首尾垂推加水平舵和垂直舵布置。2013引进国内第一台AUV型SeaBat7125声纳系统，“橙鲨”号AUV与地形测量结果见图6。

图6 “橙鲨”号AUV和地形测量结果

五、结束语

⒈ 深海科学考察与资源开发应用随着我国“十三五”海洋战略的实施，一系列重大水下科学考察与资源调查项目立项，AUV&MBE以其在地形测量方面的明显优势，在未来深海海底测量、海洋工程、航道保障等方面会得到更加广泛的应用。随着国内AUV技术的不断成熟，以AUV&MBE为核心的水下地形调查服务将形成产业，并且有能力进军国际市场。⒉ 水下地形辅助导航应用深海大范围的导航误差一直困扰着AUV系统，尤其是惯性导航的飘移问题，虽然基于底跟踪的DVL能够对惯性导航的速度进行修正，但是仍然存在导航误差随时间一阶漂移。如果水底特征信息足够丰富，那么应用MBE对海底探测的同时，与已知水底地图进行匹配^[12]，从而确定AUV的位置，这样就可以消除导航系统的偏差。⒊ MBE在线数据处理由于MBE数据量巨大，一般采取离线后处理方式。若通过改进软硬件实现高效的在线数据处理，对AUV来说增加一种新的环境与目标感知手段，可以进一步提高目标探测与识别的准确率^[13-14]，从而提高AUV作业效率。未来5年深海探测将成为研究热点。AUV搭载多波束声纳在海底地形测量上拥有巨大的优势，在即将到来的海洋科研热潮中发挥越来越重要的作用。随着AUV技术的成熟和多波束声纳技术的进步，AUV&MBE的地形测量效果将大幅提高，并且能在地形匹配导航与目标探测领域得到应用。通过我国科技工作者的不断努力，逐步缩短与国外先进水平的差距，争取在AUV与多波束声纳研究方面取得更大的进步。

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