海空两栖无人机研究进展及其在水下漫射衰减系数测量中的潜在应用

贺弢 刘帅伟 周淑媛 杜朗

摘  要：水下漫射衰减系数（Kd）是海洋水色遥感和环境监测中的重要参数。目前Kd主要采用水下剖面测量的方式，需要人工手动根据深度需要进行布放和回收，作业过程相对复杂。基于发展越来越成熟的两栖无人机技术，本文总结了相关国内外研究进展，接着探讨了两栖无人机在实现水下漫射衰减系数自动化、智能化监测中潜在应用，为水下光场监测和水色遥感深入应用提供支撑。

关键词：两栖无人机  漫射衰减系数  水色遥感  智能观测

中图分类号：V279                            文献标识码：A                  文章编号：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

太陽光在水体的辐射传输过程中，水体各个组分（如浮游植物、黄色物质、泥沙等）与光线相互作用，经过吸收、衰减和散射等过程使得水下光场呈现出一定分布，其中后向散射部分形成离水辐亮度，并使得水体呈现出不同的“颜色”。因此离水辐亮度或者遥感反射率携带有水体组分信息，可用于水下光场估算或反演水体生态参数，是实现水质遥感监测的关键参数。水体漫射衰减系数（Kd）是描述水下辐照度随介质路径增加衰减的一种光学参数，与遥感反射率紧密相关[1]。建立漫射衰减系数与遥感反射率之间的关系，可以从水色遥感角度对水下光场分布特性进行研究，通过构建反演算法实现相关海域大时空尺度Kd的信息提取，弥补现场漫射衰减系数常规测量方法的不足，从而为大范围水体环境调查和评价提供技术支撑。此外，Kd和透明度（Zeu）的研究对于理解海洋上层浮游植物光合作用，以及初级生产力、热交换过程、近远海的水体生态参数剖面变化等海洋物理和生物过程研究非常重要;在近海水质监测与管理中，Kd与Zeu有直接联系，是水质参数重要的评判指标，可用来准确估算真光层深度，为海岸带生态系统监管提供了关键信息[1-2]。

Kd的现场水下测量目前采用水下剖面测量的方式，由携带上行和下行的辐照度/辐亮度探头测量不同深度的水下光学参数，进而推导出不同深度的漫射衰减系数。该测量方式需要人工手动布放和回收，作业复杂，尤其是在水深较浅的海域难以精确控制水下测量深度。随着水下机器人和无人机技术的成熟，亟需一种自动化观测和回收的平台提高现场测量效率。海空两栖无人机也叫潜空跨介质无人航行器，是一种能同时满足水中、空中运动的需求，且能依靠自身携带的能源跨越水、空两种不同介质，通过集成相应的传感器能完成多种场合作业任务的无人飞行器，有望为水下漫射衰减系数的测量提供新的解决方案[3]。本文将梳理两栖无人机的国内外研究现状并探讨其在Kd测量过程中的潜在应用。

1  两栖无人机国内外研究进展

海空两栖无人机也被称作海空跨介质无人航行器，可同时兼容水中和空中两种运动模式，且能依靠自身能量多次跨越水、空两种介质，通过集成和搭载相应的传感器完成水中、空中作业任务的无人航行器。潜空跨介质航行器具有隐蔽性、灵活性，以及空中飞行器的快速性优势，并可在单次飞行任务中完成水下和空中的作业，也因此引起了世界各国都对该类航行器的关注[3]。

纵观海空跨介质两栖无人机的发展历程，大概可以分为概念设计阶段、理论发展阶段和样机试研阶段。20世纪30年代，苏联为了达成突袭作战目的，提出载人“飞行潜艇”计划，该计划设计思路为首先从空中搜索和锁定可疑目标，然后降落入水并潜入敌舰航路下埋伏，最终达到针对性突袭的效果。但由于当时技术条件限制，该计划未进入工程化研发阶段。20世纪70年代，美国提出一种大型潜水飞机的设想，该设计方案为建造一台大空中作战半径、具有一定水下潜伏期的飞行器，然而由于动力系统难以实现有战术价值的水下设伏，该项目仅完成了概念设计[3]。

21世纪以来，随着自主控制、结构兼容性设计、新型材料、新型动力等技术的快速发展，尤其是无人机、水下自治机器人和仿生理论的逐渐成熟，越来越多的研究机构和部门对海空跨介质航行器进行理论研究、结构设计和概念机研发，部分单位制作了样机并进行了初步海上试验。根据运动结构，可将国内外已有的潜空两栖航行器分为基于仿生的海空跨介质航行器和基于多旋翼的海空跨介质航行器。

1.1 基于仿生的海空跨介质航行器

当前国内外基于仿生和变体设计的跨海空航行器依然仍处于空域飞行能力、水下/空中运动能力及跨海空转换能力的理论研究与现场验证阶段，已经研发出的可用于现场飞行的样机很少。对于变体结构设计来说，其优点在于能适应在水下/空中运动对于动力和减少阻力的需求，通过调整形体结构尽可能地减小流体的冲击力矩和航行时的阻力，但是铰链结构在实现变体时需要较大的驱动力，当承受不确定的冲击时易发生损伤或者对环境传感器造成未知影响。对于仿生结构来说，基于通用的一套动力系统实现了水体和空气介质中的推进，结构复杂且对控制系统要求也较高，尚不具备集成复杂海洋环境传感器的能力[3-4]。未来需要在水上飞行适应性机理探索、概念设计、驱动系统兼容性、适应性变结构设计等方面进一步针对结构布局、动力能源及介质过渡方式等开展深入研究。

1.2 基于多旋翼的海空跨介质航行器

旋翼航行器通过控制一个或多个旋翼进行航行控制，具有垂直升降、悬停等功能，灵活性和控制性较高，可以作为在水和空气环境中通用的一种结构，于近年来得到越来越多的关注和研究。多旋翼跨介质航行器是近几年快速兴起的一种动力推进方式，在平滑、可控、重复的跨域过渡方面具有优越性。目前国内外对该种驱动方式的航行器处于起步阶段，在样机研制和布局优化方面，我国仍与国外有一定差距[5]。由于需要更高的功率，尤其是对于悬停飞行模式和水下具有更大转矩负载的运动模式，使得其功率消耗和耐久性受限等不足。

2  水下漫射衰减系数的测量原理

以加拿大Satlantic公司的Profiler IIOCI/R-200 海洋光学剖面仪为例，该仪器设备有7个有效波段，中心波长分别为412nm、443nm、490nm、520nm、555nm、620nm和683nm，波段宽度为10nm。在现场布放仪器时，为了避免船体阴影对测量结果造成的影响，需要在船尾人工布放，同时仪器需要漂离船只40～50m。在布放和测量时，最大限度地保证剖面仪在下落过程中保持自由落体以实现光学探头观测角度垂直，為了防止触底布放深度需要根据实际水深进行调整。数据后处理采用的是由Satlantic公司提供的Prosoft软件或者自行编写Matlab处理程序，遥感反射率、上行/下行辐照度、后向漫射衰减系数可由相关计算步骤得出，具体处理流程如下：（1）角度偏移校正，根据仪器自带的姿态传感器实测的X和Y方向的倾角测量，剔除角度偏移大于5o的数据;（2）数据同步，以观测时间为基准使水下剖面测量部分和海表测量部分传感器的测量数据保持一致并同步，为后续校正做准备;（3）深度校正，剔除depthn+1 < depthn的数据，同时补偿气压偏移;（4）剔除数据异常点;（5）去除噪声并进行数据平滑;（6）根据上行和下行的辐照度/辐亮度计算平均Kd（λ）;（7）计算离水辐亮度Lw（λ）和相应的遥感反射率光谱Rrs（λ），表示为Rrs（λ）= Lw（λ）/Es（λ）。

3  潜在应用与关键技术

综合前文分析，水下漫射衰减系数的测量需要满足以下3个条件：（1）水下运动姿态稳定并保持水平;（2）具有数据自动采集和存储的能力;（3）可进行多传感器及集成并能完成水下剖面的光场测量。海空两栖无人机平台可在空中飞行，又能够在水下潜航，配备多旋翼的两栖无人机即可实现水下悬停、数据存储和一键式返航，因此未来可以成为一种新的观测系统，提高水下光场的观测效率。

目前两栖无人机的发展还不成熟，处于起步阶段，距离完成现场光学测量应用仍有很多关键技术亟待突破。（1）外形与变体技术：航行器需能同时兼容空气与海水2种流体介质，具备空中飞行、水-空跨越和水下潜航3种运动模式。因此，必须对空中飞行结构、水下潜航结构和水-空跨越阶段的结构等进行优化，对于水下漫射衰减系数的观测来说，多旋翼更能稳定姿态，有望成为水下观测的最佳选择。（2）水下姿态稳定技术：为了使跨介质过程中的始终满足动力需求，实现不同运动模式时的稳定航行，必须构建和优化一套多运动模态、强鲁棒性控制系统，完成不同模态下的自动控制、准确切换，解决水-空跨越时外界流体环境带来的干扰和航行器姿态参数大范围快速变化带来的控制难题[6-7]。

随着建模与仿真技术、航行智能控制技术、水下导航和通信技术的不断进步，跨海空介质无人航行器将在海洋智能化观测过程中起到越来越大的作用：在结构优化、动力推进系统合理布置、兼容水上水下工作模式控制器设计的基础上，根据漫射衰减系数观测任务的需求，通过多传感器集成，推进海空一体化应用，实现光学传感器集成-海洋光场数据采集-数据传输与处理-数据终端可视化;同时，深度融合潜在的应用场景，为海洋调查、应急监测、救援及科学研究等提供新的技术支撑。

参考文献

[1] Wang Guifen，Zhou Wen，Xu Zhantang， et al.Vertical variations in the bio-optical properties of seawater in the northern South China Sea during summer 2008[J]. Acta Oceanologica Sinica，2020，39（4）：42–56.

[2] 赵文静，曹文熙，胡水波，等.MODIS-Aqua漫射衰减产品Kd（490）在南海海域的精度对比[J].光学精密工程，2018，26（1）：14-24.

[3] 孙祥仁，曹建，姜言清，等.潜空跨介质无人航行器发展现状与展望[J].数字海洋与水下攻防，2020，3（3）： 178-184.

[4] 冯金富，胡俊华，齐铎.水空跨介质航行器发展需求及其关键技术[J].空军工程大学学报：自然科学版，2019，20（3）：8-13.

[5] 刘相知，崔维成.潜空两栖航行器的综述与分析[J].中国舰船研究，2019，14（S2）：1-14.

[6] 陈怀远.跨介质飞行器设计及流体动力学特性分析[D].南京：南京航空航天大学，2019.

[7] 崔玉宁.仿生折叠倾转三旋翼无人机设计与干飞运动控制[D].长沙：国防科技大学，2018.