前視避障聲吶綜述

姜科 王忠康

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲波是海洋信息遠(yuǎn)距離傳播的唯一載體，高分辨聲成像聲吶在海洋探索、深遠(yuǎn)海開發(fā)以及海洋防衛(wèi)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。與光學(xué)成像相比，聲學(xué)成像分辨率低，但是在探測距離上，成像聲吶有其無法媲美的優(yōu)勢。尤其在渾濁水域，水下光學(xué)視頻成像完全失效，只能使用高分辨率的成像聲吶系統(tǒng)，當(dāng)前世界上主流的水下成像聲吶產(chǎn)品有多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶[1]、聲透鏡聲吶[2]。

側(cè)掃聲吶掃描區(qū)域小，成像需要載體不斷移動，使得對回波信號處理變得復(fù)雜。合成孔徑聲吶理論，則要求聲吶基陣作嚴(yán)格的直線運(yùn)動，算法要求較為苛刻，且體積龐大。聲透鏡成像則受到技術(shù)的限制難以達(dá)到理想的效果。若水中航行器想通過水下成像設(shè)備來觀察水中環(huán)境情況，則只有多波束聲吶系統(tǒng)能達(dá)到要求。多波束成像聲吶根據(jù)應(yīng)用的場合，可以分為多波束測深聲吶和前視聲吶。多波束測深聲吶大多用于水下地形的勘測[3-4]，前視聲吶可用于水下導(dǎo)航避障[5-8]。

1 前視聲吶組成和工作原理

前視聲吶是成像聲吶中的一種，也是主動聲吶，主要由發(fā)射基陣、接收基陣、信號處理和顯示設(shè)備等組成。水聲換能器按照特定幾何結(jié)構(gòu)（如球形、柱形、平板形或線列形等）排列組成發(fā)射基陣，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號向掃描方向發(fā)出。聲波信號在水下傳播時，會被巖石、魚類、山體等目標(biāo)反射，產(chǎn)生回波信號。接收基陣將回波信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至信號處理單元。信號處理單元對接收到的電信號進(jìn)行采集與處理，并形成目標(biāo)圖像信息。最終，各方向上的目標(biāo)圖像信息被上傳至顯示設(shè)備進(jìn)行整理和顯示，得到波束方向上的水聲圖像。

按照成像特點，前視聲吶系統(tǒng)可分為單波束機(jī)械掃描聲吶、多波束預(yù)成電子掃描聲吶和三維成像聲吶。單波束機(jī)械掃描聲吶通過對單波束進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)來完成全方位或固定區(qū)域內(nèi)的掃描探測，每次只能形成一個窄波束。這類聲吶結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但難以達(dá)到實時性要求，且容易受到運(yùn)動載體的影響而出現(xiàn)圖像失真。多波束預(yù)成電子掃描聲吶可同時接收并處理多個換能器陣列的采集信號，因此時間成本更小，系統(tǒng)圖像分辨率也更高。三維成像聲吶能夠獲得目標(biāo)的三維空間圖像，但研發(fā)成本高，實現(xiàn)難度大，目前僅有少數(shù)國家開展了水下三維聲成像系統(tǒng)的研究與設(shè)計。

2 前視聲吶的發(fā)展

2.1 單波束機(jī)械掃描聲吶

單波束機(jī)械掃描聲吶雖然成像效率低，但是在對成像實時性要求不高的場合也有應(yīng)用。圖1是加拿大IMAGENEX公司生產(chǎn)的一款單波束掃描聲吶IMAGENEX 881A成像效果。

該產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用于各種級別的遙控?zé)o人潛水器、自主式水下航行器和無人水下航行器，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求對工作頻率進(jìn)行選擇，距離分辨率可達(dá)10 mm，在1 MHz工作頻率下，波束寬度為0.9°×10°，最大工作深度可達(dá)6000 m。中國海洋大學(xué)研制的AUV“神龍?zhí)枴?，采用的前視聲吶系統(tǒng)為英國Tdtech公司生產(chǎn)的Super Seaking DST數(shù)字機(jī)械掃描式前視聲吶[14]。隨著聲吶換能器技術(shù)、集成電路的不斷發(fā)展，單波束成像聲吶已經(jīng)漸漸退出我們的視野，取而代之的是多波束預(yù)成電子掃描聲吶。

2.2 多波束預(yù)成電子掃描聲吶

多波束預(yù)成電子掃描聲吶成為前視聲吶的主流應(yīng)用產(chǎn)品，其成像效率遠(yuǎn)高于單波束機(jī)械掃描聲吶，且成像分辨率更高，但是該類成像聲吶產(chǎn)品成像視野受到限制，無法達(dá)到單波束機(jī)械掃描的全方位視角。下文對國內(nèi)外典型產(chǎn)品作簡要的介紹，并進(jìn)行對比分析。

EchoPilot FLS 2D是Daniamant公司研發(fā)的前視聲吶，該產(chǎn)品最大特點是小巧便捷以及其獨(dú)特的換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計，是專門為海上救援而設(shè)計的。圖 2為EchoPilot FLS 2D成像系統(tǒng)的組成部件，該設(shè)備配備了7英寸（對角線）TFT LCD全彩顯示器，當(dāng)回聲較強(qiáng)時其顯示色彩不同，給人以更佳的視覺效果，而且能夠獲得更多關(guān)于海底的自然信息，顯示效果如圖 3所示。用戶可根據(jù)實際應(yīng)用，選擇專業(yè)傳感器或標(biāo)準(zhǔn)傳感器。2D前視聲吶顯示更新時間0.5 s，最大前向探測距離200 m，最大探測深度100 m。

圖 2 EchoPilot FLS 2D有關(guān)組件

圖3 EchoPilot FLS 2D顯示效果

圖4為BlueView的便攜式二維成像聲吶，工作頻率900 kHz，視角范圍達(dá)130°，最大探測距離100 m，距離分辨率1.3 cm。所有的M900系列聲吶，無論是移動探測或固定地點安裝，均能實時傳輸圖像和數(shù)據(jù)，視頻輸出幀率最快27 Hz，可應(yīng)用于ROV實時導(dǎo)航、目標(biāo)探測/識別、目標(biāo)跟蹤、避障、操作監(jiān)控、區(qū)域/結(jié)構(gòu)物檢查等場合，其成像效果如圖5所示。

圖4 Teledyne BlueView便攜式二維成像聲吶

圖5 BlueView成像效果圖

圖6為Gemini 1200ik多波束成像聲吶，工作深度350 m，它提供了一種緊湊型實時高頻成像的解決方案，這使得它可被安裝到中小型船只，也可安裝在淺水作業(yè)的大型船只上。獨(dú)特的設(shè)計使它可以非常容易地安裝到不同的水下潛器和平臺上。該聲吶工作頻率為1200 kHz，優(yōu)化的信號處理電路設(shè)計使聲吶能夠提供極其清晰的實時圖像。該設(shè)備集成了一個聲速計，能夠幫助聲吶頭進(jìn)行圖像銳化和精確測距。120°的水平覆蓋范圍為使用者提供一個印象深刻的視野范圍。采用的 chirp處理技術(shù)，確保Tritech Gemini 1200ik多波束圖像聲吶能夠提供更遠(yuǎn)距離的高分辨率成像，而集成的VOS（Vectory of Sound）傳感器確保了圖像的高精確度顯示。此外該成像聲吶還可以裝配于潛水員頭盔面罩上方，通過水下視頻眼鏡呈現(xiàn)水下環(huán)境情況，如圖7所示。

圖6 Gemini 1200ik

圖7 頭戴式安裝

IMAGENEX MODEL 837 “Delta T”2000 m是一款高分辨率、多接收器的聲吶系統(tǒng)，在個人的筆記本電腦和專業(yè)PC上都能運(yùn)行，如圖8所示。這款設(shè)備聲波陣列的設(shè)計實現(xiàn)了以 120°×20°視角的視頻探測、移動物體探測、障礙物躲避應(yīng)用，同時260 kHz 的聲學(xué)頻率帶來100 m以內(nèi)的靈敏探測。在小范圍內(nèi)，照片更新率達(dá)到20次/s，而在100 m的范圍內(nèi)，也有超過5次/s的表現(xiàn)。經(jīng)過硬性陽極化處理的外殼，保證了該設(shè)備可以工作在 2000 m深的水域。該成像聲吶沒有笨重的外置控制箱，所以便于裝配在ROV和AUV上，且價格便宜。

圖8 837“Delta T”2000 m多波束避障聲吶

中國船舶第七一五研究所研制的一款二維前視避障聲吶（DMP125），如圖9所示，工作頻率125 kHz，探測距離可達(dá)500 m，可探測120°×20°視角范圍內(nèi)的移動目標(biāo)和靜止目標(biāo)，距離分辨率達(dá)到10 cm，方位分辨率小于1°，可實現(xiàn)碰撞危險自動分級報警。通過充油設(shè)計，使得設(shè)備可工作于 1200 m水深。該設(shè)備對山體的成像效果如圖10所示。

圖9 DMP125前視避障聲吶

圖10 山體成像

上述幾款常見的多波束二維前視聲吶關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表 1。多波束預(yù)成電子掃描聲吶在技術(shù)水平上并沒有太大差距，雖然表格中部分指標(biāo)存在一定的差異，國內(nèi)的設(shè)備是基于實際應(yīng)用場景進(jìn)行定制的。通過表中產(chǎn)品的成像結(jié)果可以看出，二維成像聲吶所展現(xiàn)的目標(biāo)信息有限，只能獲得被測物的距離、方向等信息，復(fù)雜環(huán)境下，不利于對小目標(biāo)的探測與識別。三維成像技術(shù)能夠在此基礎(chǔ)上獲得復(fù)雜的3D圖像，圖像立體、完整、清楚。

表1 二維成像聲吶關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比

2.3 三維成像聲吶

美國Farsounder公司研發(fā)的FarSounder-500和FarSounder-1000產(chǎn)品，如圖 11所示。其中FarSounder-500水平探測角度范圍90°，最大探測距離 500 m，其三維成像效果如圖 12所示。FarSounder-1000探測角度范圍有兩種模式，分別為90°和 60°。在探測范圍為 60°時，其探測距離可達(dá)1000 m。此外該系列前視聲吶擁有自動檢測底部、測量最小深度、多種顯示模式（包括日間模式、黃昏模式、夜間模式和紅色模式）以及導(dǎo)航信息顯示功能等，設(shè)備安裝效果如圖13所示。

圖11 FarSounder系列

圖12 FarSounder三維成像效果圖

圖13 安裝示意圖

Daniamant公司研發(fā)的EchoPilot FLS 3D是一款三維前視聲吶產(chǎn)品，如圖 14（a）所示，該設(shè)備可以對船只前方水下場景進(jìn)行三維顯示，海底的地形和潛在的危險可以真實性表示出來，顯示效果是一個實時的聲吶圖像，而不是渲染成的3D效果，如圖 14（c）所示。無論外殼形狀如何，兩個具有伸縮結(jié)構(gòu)的換能器都能確保完全覆蓋前向，前向探測角度范圍60°，垂直探測范圍90°，向前探測距離可達(dá)200 m，探測水深100 m。

圖14 EchoPilot FLS 3D系統(tǒng)組成及成像效果

Echoscope4G?是英國Coda Octopus公司研制的第四代實時三維成像聲吶，如圖 15所示。該系列產(chǎn)品是世界上分辨率最高的實時三維成像聲吶，距離分辨率高達(dá)2 cm，其最小探測距離0.5 m，最大探測距離150 m（發(fā)射信號頻率240 kHz），最大刷新速率20 Hz，具有雙發(fā)射基陣，支持雙頻工作模式（375/630 kHz）或者三頻工作模式（240/375/630 kHz），后期可通過軟件選擇。產(chǎn)品具有輕小、低功耗、低成本、可編程 TVG以及擁有應(yīng)用于ROV/AUV的標(biāo)準(zhǔn)百兆以太網(wǎng)等特點。通過其特有的渲染技術(shù)，即使在能見度低的水中，該設(shè)備依然能夠?qū)σ苿游矬w進(jìn)行清晰成像，并且能夠區(qū)分不同的物體，成像效果如圖16所示。

圖15 CodaOctopus:3D

圖16 Echoscope4G?成像效果

該公司已經(jīng)將三維成像聲吶產(chǎn)品做了進(jìn)一步的升級，于2015年提出為潛水員提供3D增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的概念，2019年完成其第一代產(chǎn)品DAVD的研制，2021年發(fā)布了第二代產(chǎn)品Gen 2 DAVD并應(yīng)用于美國海軍，如圖17所示。

圖 17 第二代DAVD和Echoscope C500

潛水監(jiān)督員可以使用隨附的4G USE DAVD版軟件套件從水面控制DAVD系統(tǒng)，能夠控制顯示給潛水員的所有信息，包括發(fā)送關(guān)鍵信息、詳細(xì)的分步任務(wù)說明、圖紙、圖像甚至增強(qiáng)現(xiàn)實視頻的能力，如18所示。

圖18 通過DAVD觀察數(shù)字信息提示

借助于第二代DAVD產(chǎn)品，潛水員在能見度為零的條件下工作，不僅同時支持第一視角和第三視角觀察水下環(huán)境，如圖19所示，而且水面潛水監(jiān)督員可以實時觀測潛水員的情況，并與之進(jìn)行信息交互。該設(shè)備在確保潛水員水下執(zhí)行任務(wù)安全的同時，可極大提高軍隊水下特種作戰(zhàn)能力。

圖19 三維顯示水下地形

英國Coda Octopus公司是當(dāng)前三維成像聲吶技術(shù)的國際領(lǐng)軍企業(yè)，其最新產(chǎn)品可以說是未來三維成像聲吶發(fā)展的全球風(fēng)向標(biāo)，水下3D增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)也是水下探測設(shè)備顯示方式的重點研究方向。目前，國內(nèi)在水下視覺增強(qiáng)系統(tǒng)研究上基本為空白，可以借鑒 AR眼鏡顯示器技術(shù)，并將其應(yīng)用到水下成像系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。國內(nèi)對三維成像聲吶進(jìn)行研究的單位主要有蘇州桑泰、中國船舶第七一五研究所、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等。

圖20為蘇州桑泰自主研制的一款便攜式高分辨率水下三維成像設(shè)備，其開角范圍為48°×48°，距離分辨率可達(dá)3 cm，具有體積小、重量輕、低功耗等特性，可由潛水員在水中直接操作，通過對目標(biāo)的視角切換、立體觀察，使目標(biāo)搜索和定位更加簡單直觀，可滿足潛水員手持或者搭載 ROV、UUV等平臺使用。

圖20 手持式三維成像聲吶

第七一五研究所和浙江大學(xué)共同研制的DZT型三維聲學(xué)攝像聲吶（圖21），工作頻率300 kHz，能夠?qū)?00 m以內(nèi)、50°×50°開角范圍的目標(biāo)實時成像，距離分辨率2 cm，顯示幀率最大10 Hz，具有運(yùn)動目標(biāo)實時檢測、動態(tài)分類和三維目標(biāo)識別等功能。

圖21 DZT型三維聲學(xué)攝像聲吶

圖22為用DZT型三維成像做喂魚成像效果的測試。圖中成像的場景為：三維圖像聲吶入水深度50 cm，并保持靜止不動，其下方3 m處用繩索固定著一條長約50 cm的魚，將一團(tuán)粉末狀餌料投入水中，誘餌球逐漸下沉。

圖22 喂魚場景成像效果

國內(nèi)外不同三維成像聲吶產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比見表2。根據(jù)上述對比分析可以看出，在三維成像聲吶方面，國內(nèi)外水平存在較大的差距。美國已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)與三維成像聲吶技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于海軍裝備。國內(nèi)三維成像聲吶起步晚，部分功能已達(dá)到國外先進(jìn)水平，但在圖像處理上與國外還有較大的差距。

表2 三維成像聲吶關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比

三維成像聲吶在計算量上遠(yuǎn)高于二維多波束成像聲吶，而且需要復(fù)雜的圖像處理計算，因此就必須使用高性能處理器，比如TI公司的6678DSP處理器、DM8127等。浙江大學(xué)使用DM8127處理三維成像聲吶的實時圖像[9]；中科院聲學(xué)所王鵬等人使用 TMS320C6678處理器來處理三維成像聲吶的后置信號處理算法[10]。雖然6678計算性能強(qiáng)大，但其計算處理還是以串行的方式，而GPU擁有強(qiáng)大的并行處理能力[11-12]，且已經(jīng)被使用于三維成像聲吶的設(shè)計[13-14]，且使用的GPU是美國英偉達(dá)公司設(shè)計生產(chǎn)的[15]。由此可見，當(dāng)前國內(nèi)成像聲吶所使用核心處理器主要還是依賴進(jìn)口，而當(dāng)前國外的高性能芯片對中國進(jìn)行了出口限制，比如AD芯片、CPU、GPU等器件，因此今后要逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

3 前視避障聲吶的發(fā)展趨勢

3.1 顯示方式

二維前視成像聲吶性價比高、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、使用方便，可安裝在 ROV、AUV和船舶上，也可以是潛水員手持使用。但二維成像聲吶只能呈現(xiàn)目標(biāo)的輪廓信息，只能獲得被測物的距離、方向等數(shù)據(jù)，復(fù)雜環(huán)境下，不利于對小目標(biāo)的探測與識別。三維成像技術(shù)獲得復(fù)雜的3D圖像，圖像立體、完整、清楚，技術(shù)人員可以快速分析或操作。三維顯示結(jié)合水下增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，使得潛水員能夠更加容易面對各種水下復(fù)雜的工作環(huán)境。未來的成像聲吶顯示方式不再僅限于屏幕的三維顯示，而是結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，通過AR眼鏡進(jìn)行顯示。

3.2 小型化和低功耗

當(dāng)前高性能三維成像聲吶產(chǎn)品體積和功耗依然較大，不利于水下蛙人隨身攜帶和長時間工作，因此低功耗也是未來的發(fā)展趨勢之一。雖然手持式三維成像聲吶可以協(xié)助潛水員看清水下工作情況，但是無法解放水下蛙人的雙手。因此有必要研究如何將成像聲吶進(jìn)一步做小，使其可佩戴于潛水員的頭上，完全解放其雙手。

3.3 寬帶和多頻段

二維成像聲吶大多以窄帶單頻信號作為探測信號，不利于小目標(biāo)的檢測。如果探測信號為寬帶信號，則有利于提高回波信號的信噪比，增強(qiáng)目標(biāo)的檢測能力。由于聲傳播速率的限制，若只能發(fā)射單頻段的信號，成像聲吶的顯示幀率無法提升，但若支持多頻段發(fā)射信號，可以大大提升成像幀率。

3.4 智能化

雖然當(dāng)前部分前視聲吶設(shè)備已具備目標(biāo)的檢測識別功能，但僅能針對特定類型的目標(biāo)，很多情形只能通過人為識別。隨著人工智能的技術(shù)發(fā)展，提升前視聲吶的智能檢測和識別能力，是未來發(fā)展的一個重要方向。

4 結(jié)論

前視聲吶功能就是將水中目標(biāo)清晰地展現(xiàn)出來，因此提升前視聲吶的分辨率是必然的趨勢。此外作為一個探測設(shè)備，我們期望該設(shè)備的探測距離越遠(yuǎn)越好，更利于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；便攜、低功耗，更利于前視聲吶的普及。隨著人工智能等自動化技術(shù)的發(fā)展，成像聲吶除了實現(xiàn)高精度的成像之外，也具備了自動檢測識別等功能。成像聲吶的小型化、智能化為水下無人化平臺的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。