如何為水下機器人選擇二維成像聲吶：水下機器人在進行水下飛行時主要依靠攝像頭和燈光來導航，雖然目前的攝像頭技術發展迅速，已經能達到4K分辨率，但在渾濁的水下環境依然無法清晰成像，主要依靠水下聲吶成像技術來完成導航、搜尋、檢測等工作。
成像聲吶也稱為圖像聲吶，有很多種分類方法，我們主要聊聊根據波束數量的分類，常見為單波束聲吶（Single beam sonar）和多波束聲吶（Multibeam sonar），單波束聲吶要完成成像功能必須使用機械部件進行旋轉掃描或者依靠平臺的移動來完成，主要有單波束機械掃描聲吶（Mechanical imaging sonar）和側掃聲吶（Side scan sonar）如下圖所示；
(單波束機械掃描聲吶成像示意圖1左)
(單波束機械掃描聲吶成像示意圖1右
(側掃聲吶成像示意圖2)
單波束機械掃描聲吶是通過一個波束和旋轉云臺的機械旋轉來實現的成像，根據旋轉角度不同，可分為360°機械掃描聲吶和扇形機械掃描聲吶也稱為前視機械掃描聲吶。360°機械掃描成像聲吶一般垂直安裝在水下機器人頂部進行導航避碰，如圖1右側所示，主要應用于石油鉆井平臺導管架、橋墩柱子等復雜環境，這些環境要求操作手需要實時的了解水下機器人360°范圍內的障礙物情況，注意這些環境所在區域的流速都較大或需要完成的工作較為復雜，一般需要觀察級及以上的水下機器人搭載。
如何為水下機器人選擇二維成像聲吶
在市場上我們還能見到一種用于管涵測量的360°掃描聲吶也稱為剖面聲吶，該聲吶主要水平安裝在水下機器人的前方或者后方，和用于導航避碰的成像聲吶的不同點在于波束類型不同，360°機械掃描聲吶的波束為扇形以Imagenex 881A為例，波束寬度為0.75°x20°，這一類型聲吶在垂直方向的開角通常會超過20°，可快速的得到目標物影像和目標物離掃描聲吶探頭的距離；而管涵剖面聲吶波束類型為錐型以Imagenex的831A為例，波束寬度為1.4°，這類聲吶可以形成剖面點云數據，通過平臺的移動可得到x、y、z三維坐標，從而進行精準測量，主要用于缺陷、淤積檢測等，由于此類聲吶的體積不小，以831A為例直徑為79mm長度為273mm，一般需要觀察級及以上水下機器人搭載；
扇形機械掃描成像聲吶如圖1左側圖所示，通常扇形開角為120-130°，主要安裝在水下機器人前方，進行導航避碰和水下檢測，呈現的成果如下圖：
大家可以注意到扇形機械掃描成像聲吶無論是360°掃描還是120°掃描，其呈現出來的結果類似。360°機械掃描聲吶主要用于復雜環境，狹小空間，而前視機械掃描聲吶主要應用于開闊水域，有較好的測量范圍。隨著聲吶技術的發展和對測量精度的要求提高，單波束機械掃描聲吶越來越少被使用，多波束聲吶的出現解決了精度和效率的問題。
常見多波束聲吶主要有多波束測深/剖面聲吶和多波束圖像/前視聲吶。如下圖所示。
(
多波束測深/剖面成像示意圖3)
(多波束圖像/前視成像示意圖4)
如何為水下機器人選擇二維成像聲吶：
多波束測深/剖面成像聲吶和前面提到的剖面聲吶一致，主要用于水下地形測繪和剖面測量，有搭載到水下機器人上的版本，但更多的是船載版的，這里我們就不過多介紹。有一款360°多波束成像聲吶我們不得不提，如Teledyne marine的T2250-360和Imagenex DT360,這兩款設備和前面提到的831A類似主要用于管涵檢測，360°范圍內一次性形成1000+點云數據，通過平臺的移動可以得到三維坐標，在通用三維成圖軟件中生成管涵的三維模型，可檢測量取10*10*10cm的缺陷大小。
可以看到剖面成果都有點云數據輸出，都可后處理生產直觀全面的圖像，并可以在軟件里進行尺寸的量取和三維建模，只是點云數據的密度，分辨率不同。這類聲吶的換能器需要同時產生多個波束，因此換能器尺寸不小，以DT360為例直徑152mm，長409mm需要觀察級及以上水下機器人搭載。
我們現在在市場上看的最多的就是多波束成像/前視聲吶以Blueprint D750d為例，如下圖所示，頻率的不同開角不同，水平開角可達130°，垂直開角可達20°，波束數量高達512個。
下圖影像是通過聲吶探頭的移動來對水下地貌進行探測，可清晰的發現障礙物，可完成搜尋，避障的工作。如果需要完成檢測工作，我們需要對靜態圖像進行分析，軟件截取的靜態圖像由于扇形面積的限制，每次我們只能看到部分地貌，不直觀。
下圖影像是通過聲吶探頭的移動來對水下地貌進行探測，可清晰的發現障礙物，可完成搜尋，避障的工作。如果需要完成檢測工作，我們需要對靜態圖像進行分析，軟件截取的靜態圖像由于扇形面積的限制，每次我們只能看到部分地貌，不直觀。
側掃聲吶軟件后處理軟件可以完成多個條帶的聲吶圖像拼接，形成一幅完整的影像圖，有利于確定缺陷或者目標物所在位置，也可通過軟件進行簡單的尺寸的量取，于是有公司就想到了利用后處理軟件拼接2D成像聲吶的圖像，他和側掃聲吶的圖像具備很多相似點，可回放、平面二維圖像、成像原理一致，但相對于側掃聲吶的拼接成像聲吶的拼接更難，難點主要在于數據的采集，側掃的工作原理決定了側掃的數據采集很規律，都是條帶形掃測，而成像聲吶主要由水下機器人搭載，數據的采集一般沒有規律可言，因此要想完成拼接，我們需要嚴格的按照一定的行進路線、保持水下機器人一定的姿態來完成數據采集，我們就能得到如下的成像聲吶成果。
目前的多波束成像聲吶可以做到非常小的尺寸，還是以MD750d為例長125mm寬122mm高62mm，在水中重0.36kg，按這個尺寸大部分非專業級的水下機器人均可以搭載。
看到這里大家已經比較清楚，根據應用方向確定360°掃描成像聲吶還是扇形成像聲吶，是否需要后處理提供更加直觀高精度的成果，再根據水下機器人的級別也就是搭載能力來確定具體聲吶型號，當然也需要考慮預算情況來選擇單波束還是多波束。
這是一篇科普性文章，對于石油、海洋科考等專業用戶來說聲吶的選擇沒有任何難度。我國水下機器人行業在國內幾家生產廠家的帶動下快速發展，很多用戶購買了或打算購買他們的消費級、專業級或者工業級水下機器人來完成相關的工作，由于聲吶傳感器技術的發展，重量和尺寸也越來越小，無論哪種級別的水下機器人都有對應的成像聲吶可搭載。是不是看到這里又有點迷糊，水下機器人的級別又是怎么定義的呢，請關注我公司公眾號
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