载荷传感器：海洋智能无人系统技术

作为水下环境的重要监测单元，荷载传感器可以通过直接测量与远距离感知的方式获取测量数据。而AUV的目标则是在测量水下环境信息的同时明确这些测试点的具体定位。对于AUV来说，这一过程是动态的，而且时间上也存在一定的困难需要克服。随着水下机器人更加自动化的发展趋势，这些传感结构不再只是被动载荷，而是可以将测量结果回传至任务调度层，并且在操作任务中完成指导和优化。对于静态的监测过程，也需要尽可能地考虑到结果和反应过程对自主工作的影响。对于动态监测过程，潜水的相关参数也需要被考虑在内——包含全局环境状态和任务进程的评估和计划。

1）视频图像传感器

海床光学成像可以为海底形状、颜色、质地等海底环境信息的测量提供解决方案。由于可提供高质量的色泽、质地辨认图像，光学成像法始终是针对海底目标识别最可靠和最有效的测量手段。然而，由于海水能见度极大地限制着光学相机在水下的监测范围，通过图像信息如何获取高质量的目标数据仍是该方法最大的挑战。借助视频图像传感器开展水下环境监测在水下地质状态评估、考古及生物行为学习等方面具有重要的研究价值。

2）水下高光谱遥感系统

应用高光谱成像仪（underwater hyperspectral imaging，UHI），颜色信息可通过不同波长的可见光进行量化，通过测量所有波长的光谱特性，海底和海水的吸光特性可以被识别和量化。利用所选光源的光谱分布特性，UHI的测量结果可以作为某些水下物质是否存在的依据，如叶绿素、化学染料及海床矿物。

UHI系统可以搭载在AUV和ROV，以及其他的水下移动平台，对海底进行实时的光谱扫描，所获取的一体化光谱数据、视频和导航融合数据可以光谱分析应用软件进行处理。图13.1所示为UHI传感器与水下目标扫描光谱图。

图13.1　UHI传感器与水下目标扫描光谱图

3）温盐深仪

温盐深仪（conductivity temperature depth，CTD）传感器的应用非常广泛，是一种可同时监测液体导电率、温度和压力等参数的海洋学仪器。CTD直接测量的数据并不包含其中文名所含之盐度和深度，盐度由测得的导电率计算得到，而深度则由测得的流体静压力算出，另外，水下声音传导速率、海水密度等指标也可通过CTD测得的基础参数计算得到。海水盐度和密度是海洋学研究的关键参数，而水下声速在声呐应用如海底测绘及听觉导航等方面也尤为重要。

不同的目标决定了CTD壳体的材质，如各类金属、树脂等，其中钛制壳体的耐压深度可达10 000 m。CTD也可以集成其他类型的传感器，如溶解氧传感器和叶绿素荧光传感器等。

4）磁力计

磁力计传感器是一种铁磁物品远程感应装置。铁磁物品可隐藏在海床、土壤、水里或其他媒介中，磁力计能够穿透沉淀物质。在第二次世界大战中，磁力计得到了很大的发展，并作为定位潜艇或未爆炸物（军用）的一种有效方式。(www.xing528.com)

在水下探测中，磁力计具有多种用途。在探测区域内，可以在船后拖拽单或多重传感器来定位水下目标。在更为密集的勘测中，使用磁力计是为了精确地定位目标，如船只残骸等，通过测量水下船只的磁力特性实现目标定位，该方法对于考古方面意义重大。

5）声学多普勒流速剖面仪

声学多普勒流速剖面仪（acoustic doppler current profiler，ADCP）是一种被用来测量水流速率的传感器。该仪器通过自身的声波换能器向水中发射脉冲声波，然后根据反射信号的反向散射强度和多普勒频移计算水中颗粒物沿声束方向移动的速度。利用水底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，两者矢量的差值就是要测量的流速矢量。

用航行速度乘以时间可以计算水面宽度，然后根据水深、水面宽和流速，即可获得流量。如图13.2所示，是ADCP的工作原理图。

图13.2　ADCP工作原理图

6）主动声呐

主动声呐是一种用于测量记录海床或水柱中物体的反射声信号的仪器。该系统可以有效地记录和绘制地质特征，考古物体和其他人造结构。多波束回声探测器通过发射器发射声脉冲，具有已知方向的声束可以测量每次发射的数百米范围，通过在海床表面上建立xyz坐标，从而建立海床的2.5D或3D模型。侧扫声呐用于测量海床的表面反射率，在移动波束的同时发送数千个声脉冲并测量反射的点的强度和信号的飞行时间，从而绘制得到海床声学反射率的图。最初只测量时间和强度，并且需要平坦的海床假设来提供图像，但是，几个联合的侧扫声呐还可以测量从海床反射的信号的相位信息，以产生范围和方位。这些侧扫声呐被称为干涉测量，并且还可以提供海底的测深信息。地层剖面仪可以产生关于海底结构的信息，该系统的传输能够穿透海床的低频，高功率声学脉冲，通过测量反射信号的强度，记录海底条件。

7）合成孔径声呐

在过去十年中，合成孔径声呐已广泛应用于AUV平台上。这些系统对于每个海床点同时使用多个声脉冲，建立虚拟换能器阵列，与传统侧扫声呐相比，可以提供更好的距离和更高的海底分辨率。由Kongsberg Maritime销售的HiSAS系统还加入了干涉测量处理，消除了海底平坦假设对测量的影响。

8）光学反向散射和衰减测量法

光学反向散射和衰减测量可用荧光计，浊度传感器和散射传感器等仪器来表征海水特征，另外，氧气浓度和饱和度可以通过现场光极测量，从而实现监测海洋中的生物和化学条件的任务。这些数据可用于区分水体，也可用于研究水中的生物化学发展。