低成本无人水面艇声呐系统 Dronar 在亚利桑那运河完成非侵入式沉积检测验证
本文为预印本，未经同行评审。研究团队开发了名为 dronar 的无人水面艇声呐系统，在不排干水道的情况下检测混凝土运河床沉积。在亚利桑那运河实地测试中，沉积段深度剖面比清洁后浅最多 15 厘米，清洁段重复测量最大偏差 7 厘米，证明系统可重复且能发现沉积物。
能否用消费级无人机和声呐技术集成的低成本无人水面艇，在不排干水道的情况下检测混凝土运河床的沉积和缺陷？
SRP 管理的凤凰城运河系统总长超 211 公里，服务近 250 万户家庭。传统检查依赖四年一次的干涸期，成本高且无法及时定位水下沉积、衬砌变形和裂缝。现有空中无人机挂载声呐需要飞行员和空域审批，飞行轨迹与声呐不一致，电池续航短，难以在狭窄水道连续作业。
此前常用空中无人机系留消费级声呐进行浅水测深，或由专业人员操作专用船只。空中无人机在运河环境中面临空域限制、定位不准和续航不足，专用船则成本高、部署复杂。消费级鱼探仪虽性能提升，但缺乏面向连续运河巡检的移动平台整合。
开发了自制双浮筒无人水面艇，搭载 Lowrance Active Imaging HD 3-in-1 换能器和 HDS Pro 9 声呐主机，工作频率 800 kHz，可同时提供 DownScan 和 SideScan。USV 采用 CubePilot Cube Orange+ 运行 ArduPilot rover 固件，支持手动和自动航点模式，使用 Herelink 遥控与高清图传。换能器安装在船首下方，减少湍流。定制运输部署推车用于 45 至 60 度陡坡上下水，无需排干水道。
2025 年 5 月 22 日概念验证测试在凤凰城亚利桑那运河 1.6 公里段完成，手动模式顺流速度 8 公里/小时，逆流仅 1.6 公里/小时，耗电 38%。2025 年 11 月 7 日和 2026 年 2 月 24 日在 Mesa 段分别进行维护前和维护后调查，维护后六次顺流运行。DownScan 数据显示维护前深度剖面比维护后浅最多 15 厘米，滤波后维护前负残差达 15 厘米，维护后残差在 5 厘米以内。清洁段重复测量最大偏差 7 厘米，总深度范围约 12 厘米。所有数据来自真机实地测试，非仿真，Test 2 测试段长约 400 米。
作者承认仅比较了沉积和清洁两种已知状态，未验证衬砌变形、裂缝、其他沉积物类型和异物。后处理依赖手动 Python 脚本，未实现自动化。仅分析 DownScan 数据，SideScan 虽收集但未定量分析，导致渠壁附近区域覆盖不足。系统逆流速度慢，实际采用顺流测量。恢复流程初期需要多次尝试，控制器在高温下曾过热警告。论文未报告是否开源代码或数据，未报告成本明细，未与其他基线系统定量比较。
该系统可用于水务公司、运河运营商、市政基础设施管理部门进行常规水下沉积和缺陷巡检，帮助优先安排维护。无人机和声呐厂商可将类似方案产品化。由于采用商用现货组件和 USV 平台，无需空域审批，1 至 3 年内有望在类似混凝土水道推广。前提是开发自动化数据处理和缺陷识别算法，完成多种缺陷类型的验证，并建立标准作业流程。与现有四年干涸检查相比，该系统可降低检查成本并提高响应频率。
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