海洋智能无人系统技术：自主水下航行器监测系统

世界首台水下机器人研制于1953年，经过数十年的发展，水下机器人已成为探索海洋的重要工具，它能够在恶劣的海洋环境下完成指定的任务。水下机器人主要包括三种类型：载人潜水器（human occupied vehicle，HOV）、遥控水下机器人（remotely operated vehicle，ROV）和AUV。HOV的优点是机器人与母船或者岸基之间无缆，活动范围不受限制；其缺点是研制成本较高，对潜航员存在一定的安全隐患。HOV的这些特点使得其适用于需要工作人员直接参与的场景，如海洋科考等。ROV通过脐带缆与母船或者岸基连接，其优点是可以通过脐带缆通信并获得能源，其缺点在于脐带缆限制了它的活动范围。这样的特点使得ROV适用于需要复杂操作和大功率作业的场景，比如水坝探缝、船底清理等。AUV无人无缆，能够依靠自身携带的能源自主完成作业任务，相比HOV具有安全、结构简单、造价低等优点，相比ROV具有作业范围广、无需水面支持系统等优点。凭借这些优势，AUV在大范围雷区搜索、敌情侦察、海油工程、海上救援、海洋观测、海底调查等领域的应用越来越广泛。

早在20世纪50年代，一些国家就开展了AUV的研制。早期的AUV功能较单一，主要以开发海洋石油和天然气为目的进行研发。到20世纪末，无人潜航器（unmanned underwater vehicle，UUV）技术得到了进一步的发展，其性能更加强大，功能更加丰富，能够完成海底信息探测、协助水下科考、海底管道维修及水下长时间潜伏侦察等多种任务。许多国家成立了AUV研究中心，如美国麻省理工学院的AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载器研究中心、日本东京大学机器人应用实验室、英国海事技术中心等。而在国内，上海交通大学水下工程研究所、哈尔滨工程大学水下机器人实验室等多个机构也致力于这方面的研究。

20世纪90年代后期，随着计算机技术发展和电子技术的日益成熟，AUV进入快速发展阶段，一批有影响的AUV相继研制成功并得到成功应用，包括美国的自主海底探查机（autonomous benthic explorer，ABE）、英国的Autosub1、加拿大的Theseus、中国的“探索者”号、中国和俄罗斯共同研制的CR01。

进入21世纪，AUV技术得到了进一步的发展，商业化的AUV不断涌现，如美？国Hydroid公司的Bluefin系列AUV、挪威Kongsberg公司的REMUS系列AUV和HUGIN系列AUV、美国Teledyne公司的Gavia系列AUV（如图3.3所示），标志着AUV进入了较大规模实际应用阶段。

图3.3　美国Teledyne公司的Gavia系列AUV

AUV用于海洋环境监测的有效载荷主要是为满足水下探测、测量和通信，而配置的水声、电子、光学等设备与海洋调查船、载人潜水器相比，AUV尺寸小、能源有限，因此一型AUV所能配置的任务载荷比较有限，所担负的任务也相对单一。按功能任务划分，AUV的海洋环境监测载荷通常包括海洋探测设备、测量设备和通信设备等。(www.xing528.com)

AUV的海洋探测设备主要包括声呐设备和水下光电设备。AUV的声呐设备主要包括前视声呐、侧扫声呐、多波束测深声呐、浅层剖面仪、测深仪、测高仪、声学多普勒流速剖面仪等，其中一些设备和海洋测量设备共用。前视声呐目前主要用于水雷探测和再定位、水下结构物勘测、海洋动物研究等；侧扫声呐用于海底的绘图和勘测；多波束测深声呐用于高效能、全覆盖的测深；声学多普勒流速剖面仪利用声学多普勒原理测量水流速度剖面，具有测深、测速、定位的功能；主动探测声呐主要是指工作频率在1 kHz到几十kHz的主被动搜索声呐，用于探测舰艇、海洋大型生物等目标。水下光电设备主要包括水下电视系统和水下照相机等。AUV使用水下电视系统时，控制器和录像机将安装在其耐压舱中，海水对可见光有较强的吸收和散射作用，光能量衰减很快，可视距离仅30 m左右。蓝绿光在水中衰减较小，水下可视距离达100 m以上。水下电视系统可用于水下侦察、海道测量、海洋资源调查和勘探等；水下照相机可以提供高清晰度的物体照片。

AUV的海洋测量设备主要有海水物理特性测量仪器和水声测量换能器。海水物理特性测量仪器主要包括用于测定、计算和记录海水的电导率／盐度、温度、深度（压力）及声速（水密度）等参数的温盐深仪，以及用于测量海水溶解氧、荧光和浊度的传感器等。测量完成后，数据存储在仪器内置的物理单元中。仪器配套有相关软件，不仅可用于数据传输，而且具有强大的数据处理功能。操作员还可以通过线缆、通用分组无线服务技术或卫星进行无线在线实时监控。仪器防水性好，能耗低，自带的电池一般可连续工作1年以上。水声测量换能器主要是水听器，水听器是用于接收水声信号的换能器，通常作为基元，以多个水声换能器组成基阵使用。标准水听器性能稳定，可接收水中的环境噪声和测量信号。专用换能器是为适应专门测量场合或用途而设计的特殊换能器。

AUV上的通信设备主要是保障AUV之间、AUV与其他平台之间的通信，用于传输海洋观测数据和仪器设备状态、接收控制指令和导航数据等相关信息。主要的水面通信方式有卫星通信和无线电通信，无线电波在水下传播具有很大的局限性，因此水下通信方式主要是水声通信。在卫星通信方面，受AUV尺寸、能源限制，其天线尺寸不能很大，发射机、接收机和信号处理设备尺寸也不能太大。其使用的工作频率为400或8 000 MHz特高频波段及2～4 GHz的S波段。目前，AUV主要使用铱星通信系统的L波段。AUV无线电通信主要使用超短波通信。AUV的无线电通信设备在外形、尺寸、能源消耗上与飞机、舰艇上的不尽一致。无线电通信方式传输数据量很大，可以实时传输静止图像信息。采用超短波无线电通信时，通信距离为几千米到几十千米。挪威的Hugin3000型AUV采用400 MHz特高频无线电通信，通信距离2～3 km。美国的AUV还采用Wi-Fi技术的2.4 GHz频段进行无线电通信。水声通信近程信息传输距离小于10 km，数据率每秒几千到十几千比特，可传输黑白图像信息，远程信息传输距离在几十千米，数据率在几至几十比特，可传输指令和控制信息。挪威的Hugin系列AUV可通过水声链进行遥控，遥控距离达110 n mile。法国ALIVEAUV装备了TRITECH公司的AM300声调制解调器，具有低误码率、低功耗、抗多途和可在浅水中使用的特性，主要用于水下通信、AUV的控制和数据收集、遥控海洋数据收集。

AUV测量的优势主要体现在使用成本低，可在任何地方、任何时间布放和控制，且能在整个海洋空间进行采样；AUV也是新型智能化海洋监测网络组成的关键，通过灵活地派遣AUV进行测量并将数据汇总到固定浮标处，可以高效地进行大范围海洋观测；AUV还可以在极端恶劣的条件下进行探测，在海洋科考方面具有巨大的应用前景。而在军事应用方面，2005年美国海军曾向宾夕法尼亚大学开出合同，希望能够在近海搭建AUV和浮标网络以探测潜艇，这一项目被称为PLUSNET。同时AUV也承担了海洋测量系统网络化中的通信导航节点任务，灵活的水声信号传输使得水下树状网络得以向更远的距离建设。

现阶段，AUV作为智能化终端，灵活地搭载多种载荷，完成水下探测等任务；作为未来网络化海洋环境监测系统的执行环节主力，其智能化无人化程度将直接决定着海洋监测系统收集信息的能力。随着处理器、电池、传感器技术的不断进步及人工智能等行业的发展，AUV必将迎来更进一步的革命。