海空兩棲無人機(jī)研究進(jìn)展及其在水下漫射衰減系數(shù)測(cè)量中的潛在應(yīng)用

賀弢 劉帥偉 周淑媛 杜朗

摘? 要：水下漫射衰減系數(shù)（Kd）是海洋水色遙感和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)。目前Kd主要采用水下剖面測(cè)量的方式，需要人工手動(dòng)根據(jù)深度需要進(jìn)行布放和回收，作業(yè)過程相對(duì)復(fù)雜?；诎l(fā)展越來越成熟的兩棲無人機(jī)技術(shù)，本文總結(jié)了相關(guān)國內(nèi)外研究進(jìn)展，接著探討了兩棲無人機(jī)在實(shí)現(xiàn)水下漫射衰減系數(shù)自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)中潛在應(yīng)用，為水下光場(chǎng)監(jiān)測(cè)和水色遙感深入應(yīng)用提供支撐。

關(guān)鍵詞：兩棲無人機(jī)? 漫射衰減系數(shù)? 水色遙感? 智能觀測(cè)

中圖分類號(hào)：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（a）-0001-03

Research advances of Aerial-Submersible Vehicle and its Potential applications in diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance

He Tao1? Liu Shuaiwei2? Zhou Shuyuan1? Du Lang1

（1.Shenzhen Aerospace Smart City System Technology Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China; 2. School of Architecture and Urban Planning， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong

Province， 510301 China）

Abstract： The diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance （Kd） is an important parameter in ocean color remote sensing and environmental monitoring. At present， the method of underwater profile survey is mainly used， which requires manual placement and recovery according to the depth， and the operation process is relatively complex. Based on the development of more and more mature amphibious UAV technology， this paper summarizes the relevant research progress， and then discusses the potential application of amphibious UAV in the realization of automatic and intelligent monitoring of Kd. This work can provide support for the in-depth application of underwater light field monitoring and ocean color remote sensing.

Key Words： Amphibious UAV; Diffuse attenuation coefficient; Ocean color remote sensing; Intelligent observation

太陽光在水體的輻射傳輸過程中，水體各個(gè)組分（如浮游植物、黃色物質(zhì)、泥沙等）與光線相互作用，經(jīng)過吸收、衰減和散射等過程使得水下光場(chǎng)呈現(xiàn)出一定分布，其中后向散射部分形成離水輻亮度，并使得水體呈現(xiàn)出不同的“顏色”。因此離水輻亮度或者遙感反射率攜帶有水體組分信息，可用于水下光場(chǎng)估算或反演水體生態(tài)參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。水體漫射衰減系數(shù)（Kd）是描述水下輻照度隨介質(zhì)路徑增加衰減的一種光學(xué)參數(shù)，與遙感反射率緊密相關(guān)[1]。建立漫射衰減系數(shù)與遙感反射率之間的關(guān)系，可以從水色遙感角度對(duì)水下光場(chǎng)分布特性進(jìn)行研究，通過構(gòu)建反演算法實(shí)現(xiàn)相關(guān)海域大時(shí)空尺度Kd的信息提取，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)漫射衰減系數(shù)常規(guī)測(cè)量方法的不足，從而為大范圍水體環(huán)境調(diào)查和評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。此外，Kd和透明度（Zeu）的研究對(duì)于理解海洋上層浮游植物光合作用，以及初級(jí)生產(chǎn)力、熱交換過程、近遠(yuǎn)海的水體生態(tài)參數(shù)剖面變化等海洋物理和生物過程研究非常重要;在近海水質(zhì)監(jiān)測(cè)與管理中，Kd與Zeu有直接聯(lián)系，是水質(zhì)參數(shù)重要的評(píng)判指標(biāo)，可用來準(zhǔn)確估算真光層深度，為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)管提供了關(guān)鍵信息[1-2]。

Kd的現(xiàn)場(chǎng)水下測(cè)量目前采用水下剖面測(cè)量的方式，由攜帶上行和下行的輻照度/輻亮度探頭測(cè)量不同深度的水下光學(xué)參數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出不同深度的漫射衰減系數(shù)。該測(cè)量方式需要人工手動(dòng)布放和回收，作業(yè)復(fù)雜，尤其是在水深較淺的海域難以精確控制水下測(cè)量深度。隨著水下機(jī)器人和無人機(jī)技術(shù)的成熟，亟需一種自動(dòng)化觀測(cè)和回收的平臺(tái)提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量效率。?？諆蓷珶o人機(jī)也叫潛空跨介質(zhì)無人航行器，是一種能同時(shí)滿足水中、空中運(yùn)動(dòng)的需求，且能依靠自身攜帶的能源跨越水、空兩種不同介質(zhì)，通過集成相應(yīng)的傳感器能完成多種場(chǎng)合作業(yè)任務(wù)的無人飛行器，有望為水下漫射衰減系數(shù)的測(cè)量提供新的解決方案[3]。本文將梳理兩棲無人機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并探討其在Kd測(cè)量過程中的潛在應(yīng)用。

1? 兩棲無人機(jī)國內(nèi)外研究進(jìn)展

?？諆蓷珶o人機(jī)也被稱作海空跨介質(zhì)無人航行器，可同時(shí)兼容水中和空中兩種運(yùn)動(dòng)模式，且能依靠自身能量多次跨越水、空兩種介質(zhì)，通過集成和搭載相應(yīng)的傳感器完成水中、空中作業(yè)任務(wù)的無人航行器。潛空跨介質(zhì)航行器具有隱蔽性、靈活性，以及空中飛行器的快速性優(yōu)勢(shì)，并可在單次飛行任務(wù)中完成水下和空中的作業(yè)，也因此引起了世界各國都對(duì)該類航行器的關(guān)注[3]。

縱觀海空跨介質(zhì)兩棲無人機(jī)的發(fā)展歷程，大概可以分為概念設(shè)計(jì)階段、理論發(fā)展階段和樣機(jī)試研階段。20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)為了達(dá)成突襲作戰(zhàn)目的，提出載人“飛行潛艇”計(jì)劃，該計(jì)劃設(shè)計(jì)思路為首先從空中搜索和鎖定可疑目標(biāo)，然后降落入水并潛入敵艦航路下埋伏，最終達(dá)到針對(duì)性突襲的效果。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，該計(jì)劃未進(jìn)入工程化研發(fā)階段。20世紀(jì)70年代，美國提出一種大型潛水飛機(jī)的設(shè)想，該設(shè)計(jì)方案為建造一臺(tái)大空中作戰(zhàn)半徑、具有一定水下潛伏期的飛行器，然而由于動(dòng)力系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)價(jià)值的水下設(shè)伏，該項(xiàng)目僅完成了概念設(shè)計(jì)[3]。

21世紀(jì)以來，隨著自主控制、結(jié)構(gòu)兼容性設(shè)計(jì)、新型材料、新型動(dòng)力等技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是無人機(jī)、水下自治機(jī)器人和仿生理論的逐漸成熟，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和部門對(duì)?？湛缃橘|(zhì)航行器進(jìn)行理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和概念機(jī)研發(fā)，部分單位制作了樣機(jī)并進(jìn)行了初步海上試驗(yàn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可將國內(nèi)外已有的潛空兩棲航行器分為基于仿生的?？湛缃橘|(zhì)航行器和基于多旋翼的?？湛缃橘|(zhì)航行器。

1.1 基于仿生的?？湛缃橘|(zhì)航行器

當(dāng)前國內(nèi)外基于仿生和變體設(shè)計(jì)的跨?？蘸叫衅饕廊蝗蕴幱诳沼蝻w行能力、水下/空中運(yùn)動(dòng)能力及跨?？辙D(zhuǎn)換能力的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證階段，已經(jīng)研發(fā)出的可用于現(xiàn)場(chǎng)飛行的樣機(jī)很少。對(duì)于變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，其優(yōu)點(diǎn)在于能適應(yīng)在水下/空中運(yùn)動(dòng)對(duì)于動(dòng)力和減少阻力的需求，通過調(diào)整形體結(jié)構(gòu)盡可能地減小流體的沖擊力矩和航行時(shí)的阻力，但是鉸鏈結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)變體時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)承受不確定的沖擊時(shí)易發(fā)生損傷或者對(duì)環(huán)境傳感器造成未知影響。對(duì)于仿生結(jié)構(gòu)來說，基于通用的一套動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水體和空氣介質(zhì)中的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)控制系統(tǒng)要求也較高，尚不具備集成復(fù)雜海洋環(huán)境傳感器的能力[3-4]。未來需要在水上飛行適應(yīng)性機(jī)理探索、概念設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兼容性、適應(yīng)性變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)一步針對(duì)結(jié)構(gòu)布局、動(dòng)力能源及介質(zhì)過渡方式等開展深入研究。

1.2 基于多旋翼的海空跨介質(zhì)航行器

旋翼航行器通過控制一個(gè)或多個(gè)旋翼進(jìn)行航行控制，具有垂直升降、懸停等功能，靈活性和控制性較高，可以作為在水和空氣環(huán)境中通用的一種結(jié)構(gòu)，于近年來得到越來越多的關(guān)注和研究。多旋翼跨介質(zhì)航行器是近幾年快速興起的一種動(dòng)力推進(jìn)方式，在平滑、可控、重復(fù)的跨域過渡方面具有優(yōu)越性。目前國內(nèi)外對(duì)該種驅(qū)動(dòng)方式的航行器處于起步階段，在樣機(jī)研制和布局優(yōu)化方面，我國仍與國外有一定差距[5]。由于需要更高的功率，尤其是對(duì)于懸停飛行模式和水下具有更大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的運(yùn)動(dòng)模式，使得其功率消耗和耐久性受限等不足。

2? 水下漫射衰減系數(shù)的測(cè)量原理

以加拿大Satlantic公司的Profiler IIOCI/R-200 海洋光學(xué)剖面儀為例，該儀器設(shè)備有7個(gè)有效波段，中心波長分別為412nm、443nm、490nm、520nm、555nm、620nm和683nm，波段寬度為10nm。在現(xiàn)場(chǎng)布放儀器時(shí)，為了避免船體陰影對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，需要在船尾人工布放，同時(shí)儀器需要漂離船只40～50m。在布放和測(cè)量時(shí)，最大限度地保證剖面儀在下落過程中保持自由落體以實(shí)現(xiàn)光學(xué)探頭觀測(cè)角度垂直，為了防止觸底布放深度需要根據(jù)實(shí)際水深進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)后處理采用的是由Satlantic公司提供的Prosoft軟件或者自行編寫Matlab處理程序，遙感反射率、上行/下行輻照度、后向漫射衰減系數(shù)可由相關(guān)計(jì)算步驟得出，具體處理流程如下：（1）角度偏移校正，根據(jù)儀器自帶的姿態(tài)傳感器實(shí)測(cè)的X和Y方向的傾角測(cè)量，剔除角度偏移大于5o的數(shù)據(jù);（2）數(shù)據(jù)同步，以觀測(cè)時(shí)間為基準(zhǔn)使水下剖面測(cè)量部分和海表測(cè)量部分傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)保持一致并同步，為后續(xù)校正做準(zhǔn)備;（3）深度校正，剔除depthn+1 < depthn的數(shù)據(jù)，同時(shí)補(bǔ)償氣壓偏移;（4）剔除數(shù)據(jù)異常點(diǎn);（5）去除噪聲并進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑;（6）根據(jù)上行和下行的輻照度/輻亮度計(jì)算平均Kd（λ）;（7）計(jì)算離水輻亮度Lw（λ）和相應(yīng)的遙感反射率光譜Rrs（λ），表示為Rrs（λ）= Lw（λ）/Es（λ）。

3? 潛在應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)

綜合前文分析，水下漫射衰減系數(shù)的測(cè)量需要滿足以下3個(gè)條件：（1）水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定并保持水平;（2）具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)的能力;（3）可進(jìn)行多傳感器及集成并能完成水下剖面的光場(chǎng)測(cè)量。海空兩棲無人機(jī)平臺(tái)可在空中飛行，又能夠在水下潛航，配備多旋翼的兩棲無人機(jī)即可實(shí)現(xiàn)水下懸停、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和一鍵式返航，因此未來可以成為一種新的觀測(cè)系統(tǒng)，提高水下光場(chǎng)的觀測(cè)效率。

目前兩棲無人機(jī)的發(fā)展還不成熟，處于起步階段，距離完成現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)測(cè)量應(yīng)用仍有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。（1）外形與變體技術(shù)：航行器需能同時(shí)兼容空氣與海水2種流體介質(zhì)，具備空中飛行、水-空跨越和水下潛航3種運(yùn)動(dòng)模式。因此，必須對(duì)空中飛行結(jié)構(gòu)、水下潛航結(jié)構(gòu)和水-空跨越階段的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于水下漫射衰減系數(shù)的觀測(cè)來說，多旋翼更能穩(wěn)定姿態(tài)，有望成為水下觀測(cè)的最佳選擇。（2）水下姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)：為了使跨介質(zhì)過程中的始終滿足動(dòng)力需求，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)模式時(shí)的穩(wěn)定航行，必須構(gòu)建和優(yōu)化一套多運(yùn)動(dòng)模態(tài)、強(qiáng)魯棒性控制系統(tǒng)，完成不同模態(tài)下的自動(dòng)控制、準(zhǔn)確切換，解決水-空跨越時(shí)外界流體環(huán)境帶來的干擾和航行器姿態(tài)參數(shù)大范圍快速變化帶來的控制難題[6-7]。

隨著建模與仿真技術(shù)、航行智能控制技術(shù)、水下導(dǎo)航和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，跨?？战橘|(zhì)無人航行器將在海洋智能化觀測(cè)過程中起到越來越大的作用：在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)合理布置、兼容水上水下工作模式控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)漫射衰減系數(shù)觀測(cè)任務(wù)的需求，通過多傳感器集成，推進(jìn)?？找惑w化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感器集成-海洋光場(chǎng)數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)傳輸與處理-數(shù)據(jù)終端可視化;同時(shí)，深度融合潛在的應(yīng)用場(chǎng)景，為海洋調(diào)查、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、救援及科學(xué)研究等提供新的技術(shù)支撐。

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