前視避障聲吶綜述

姜科 王忠康

（第七一五研究所，杭州，310023）

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

側掃聲吶掃描區域小，成像需要載體不斷移動，使得對回波信號處理變得復雜。合成孔徑聲吶理論，則要求聲吶基陣作嚴格的直線運動，算法要求較為苛刻，且體積龐大。聲透鏡成像則受到技術的限制難以達到理想的效果。若水中航行器想通過水下成像設備來觀察水中環境情況，則只有多波束聲吶系統能達到要求。多波束成像聲吶根據應用的場合，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，主要由發射基陣、接收基陣、信號處理和顯示設備等組成。水聲換能器按照特定幾何結構（如球形、柱形、平板形或線列形等）排列組成發射基陣，將發射機產生的電信號轉換為聲波信號向掃描方向發出。聲波信號在水下傳播時，會被巖石、魚類、山體等目標反射，產生回波信號。接收基陣將回波信號轉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行采集與處理，并形成目標圖像信息。最終，各方向上的目標圖像信息被上傳至顯示設備進行整理和顯示，得到波束方向上的水聲圖像。

按照成像特點，前視聲吶系統可分為單波束機械掃描聲吶、多波束預成電子掃描聲吶和三維成像聲吶。單波束機械掃描聲吶通過對單波束進行機械旋轉來完成全方位或固定區域內的掃描探測，每次只能形成一個窄波束。這類聲吶結構簡單，價格便宜，但難以達到實時性要求，且容易受到運動載體的影響而出現圖像失真。多波束預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，系統圖像分辨率也更高。三維成像聲吶能夠獲得目標的三維空間圖像，但研發成本高，實現難度大，目前僅有少數國家開展了水下三維聲成像系統的研究與設計。

2 前視聲吶的發展

2.1 單波束機械掃描聲吶

單波束機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用。圖1是加拿大IMAGENEX公司生產的一款單波束掃描聲吶IMAGENEX 881A成像效果。

該產品被廣泛地應用于各種級別的遙控無人潛水器、自主式水下航行器和無人水下航行器，用戶可根據應用需求對工作頻率進行選擇，距離分辨率可達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6000 m。中國海洋大學研制的AUV“神龍號”，采用的前視聲吶系統為英國Tdtech公司生產的Super Seaking DST數字機械掃描式前視聲吶[14]。隨著聲吶換能器技術、集成電路的不斷發展，單波束成像聲吶已經漸漸退出我們的視野，取而代之的是多波束預成電子掃描聲吶。

2.2 多波束預成電子掃描聲吶

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

EchoPilot FLS 2D是Daniamant公司研發的前視聲吶，該產品最大特點是小巧便捷以及其獨特的換能器結構設計，是專門為海上救援而設計的。圖 2為EchoPilot FLS 2D成像系統的組成部件，該設備配備了7英寸（對角線）TFT LCD全彩顯示器，當回聲較強時其顯示色彩不同，給人以更佳的視覺效果，而且能夠獲得更多關于海底的自然信息，顯示效果如圖 3所示。用戶可根據實際應用，選擇專業傳感器或標準傳感器。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據，視頻輸出幀率最快27 Hz，可應用于ROV實時導航、目標探測/識別、目標跟蹤、避障、操作監控、區域/結構物檢查等場合，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的大型船只上。獨特的設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，優化的信號處理電路設計使聲吶能夠提供極其清晰的實時圖像。該設備集成了一個聲速計，能夠幫助聲吶頭進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，確保Tritech Gemini 1200ik多波束圖像聲吶能夠提供更遠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水下環境情況，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，在個人的筆記本電腦和專業PC上都能運行，如圖8所示。這款設備聲波陣列的設計實現了以 120°×20°視角的視頻探測、移動物體探測、障礙物躲避應用，同時260 kHz 的聲學頻率帶來100 m以內的靈敏探測。在小范圍內，照片更新率達到20次/s，而在100 m的范圍內，也有超過5次/s的表現。經過硬性陽極化處理的外殼，保證了該設備可以工作在 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500 m，可探測120°×20°視角范圍內的移動目標和靜止目標，距離分辨率達到10 cm，方位分辨率小于1°，可實現碰撞危險自動分級報警。通過充油設計，使得設備可工作于 1200 m水深。該設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鍵技術指標見表 1。多波束預成電子掃描聲吶在技術水平上并沒有太大差距，雖然表格中部分指標存在一定的差異，國內的設備是基于實際應用場景進行定制的。通過表中產品的成像結果可以看出，二維成像聲吶所展現的目標信息有限，只能獲得被測物的距離、方向等信息，復雜環境下，不利于對小目標的探測與識別。三維成像技術能夠在此基礎上獲得復雜的3D圖像，圖像立體、完整、清楚。

表1 二維成像聲吶關鍵技術指標對比

2.3 三維成像聲吶

美國Farsounder公司研發的FarSounder-500和FarSounder-1000產品，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）以及導航信息顯示功能等，設備安裝效果如圖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公司研發的EchoPilot FLS 3D是一款三維前視聲吶產品，如圖 14（a）所示，該設備可以對船只前方水下場景進行三維顯示，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，兩個具有伸縮結構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200 m，探測水深100 m。

圖14 EchoPilot FLS 3D系統組成及成像效果

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2 cm，其最小探測距離0.5 m，最大探測距離150 m（發射信號頻率240 kHz），最大刷新速率20 Hz，具有雙發射基陣，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。產品具有輕小、低功耗、低成本、可編程 TVG以及擁有應用于ROV/AUV的標準百兆以太網等特點。通過其特有的渲染技術，即使在能見度低的水中，該設備依然能夠對移動物體進行清晰成像，并且能夠區分不同的物體，成像效果如圖16所示。

圖15 CodaOctopus:3D

圖16 Echoscope4G?成像效果

該公司已經將三維成像聲吶產品做了進一步的升級，于2015年提出為潛水員提供3D增強現實技術的概念，2019年完成其第一代產品DAVD的研制，2021年發布了第二代產品Gen 2 DAVD并應用于美國海軍，如圖17所示。

圖 17 第二代DAVD和Echoscope C500

潛水監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，能夠控制顯示給潛水員的所有信息，包括發送關鍵信息、詳細的分步任務說明、圖紙、圖像甚至增強現實視頻的能力，如18所示。

圖18 通過DAVD觀察數字信息提示

借助于第二代DAVD產品，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境，如圖19所示，而且水面潛水監督員可以實時觀測潛水員的情況，并與之進行信息交互。該設備在確保潛水員水下執行任務安全的同時，可極大提高軍隊水下特種作戰能力。

圖19 三維顯示水下地形

英國Coda Octopus公司是當前三維成像聲吶技術的國際領軍企業，其最新產品可以說是未來三維成像聲吶發展的全球風向標，水下3D增強現實技術也是水下探測設備顯示方式的重點研究方向。目前，國內在水下視覺增強系統研究上基本為空白，可以借鑒 AR眼鏡顯示器技術，并將其應用到水下成像系統，在此基礎上研發相關產品。國內對三維成像聲吶進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、哈爾濱工程大學等。

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備，其開角范圍為48°×48°，距離分辨率可達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，通過對目標的視角切換、立體觀察，使目標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共同研制的DZT型三維聲學攝像聲吶（圖21），工作頻率300 kHz，能夠對200 m以內、50°×50°開角范圍的目標實時成像，距離分辨率2 cm，顯示幀率最大10 Hz，具有運動目標實時檢測、動態分類和三維目標識別等功能。

圖21 DZT型三維聲學攝像聲吶

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

國內外不同三維成像聲吶產品的關鍵技術指標對比見表2。根據上述對比分析可以看出，在三維成像聲吶方面，國內外水平存在較大的差距。美國已經將增強現實技術與三維成像聲吶技術相結合，并應用于海軍裝備。國內三維成像聲吶起步晚，部分功能已達到國外先進水平，但在圖像處理上與國外還有較大的差距。

表2 三維成像聲吶關鍵技術指標對比

三維成像聲吶在計算量上遠高于二維多波束成像聲吶，而且需要復雜的圖像處理計算，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。浙江大學使用DM8127處理三維成像聲吶的實時圖像[9]；中科院聲學所王鵬等人使用 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計算性能強大，但其計算處理還是以串行的方式，而GPU擁有強大的并行處理能力[11-12]，且已經被使用于三維成像聲吶的設計[13-14]，且使用的GPU是美國英偉達公司設計生產的[15]。由此可見，當前國內成像聲吶所使用核心處理器主要還是依賴進口，而當前國外的高性能芯片對中國進行了出口限制，比如AD芯片、CPU、GPU等器件，因此今后要逐步實現國產化替代。

3 前視避障聲吶的發展趨勢

3.1 顯示方式

二維前視成像聲吶性價比高、結構緊湊、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目標的輪廓信息，只能獲得被測物的距離、方向等數據，復雜環境下，不利于對小目標的探測與識別。三維成像技術獲得復雜的3D圖像，圖像立體、完整、清楚，技術人員可以快速分析或操作。三維顯示結合水下增強現實技術，使得潛水員能夠更加容易面對各種水下復雜的工作環境。未來的成像聲吶顯示方式不再僅限于屏幕的三維顯示，而是結合增強現實技術，通過AR眼鏡進行顯示。

3.2 小型化和低功耗

當前高性能三維成像聲吶產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展趨勢之一。雖然手持式三維成像聲吶可以協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，增強目標的檢測能力。由于聲傳播速率的限制，若只能發射單頻段的信號，成像聲吶的顯示幀率無法提升，但若支持多頻段發射信號，可以大大提升成像幀率。

3.4 智能化

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

4 結論

前視聲吶功能就是將水中目標清晰地展現出來，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備，我們期望該設備的探測距離越遠越好，更利于發現目標；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的發展，成像聲吶除了實現高精度的成像之外，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展起到了關鍵的作用。