萬 駿

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 湖北 宜昌 443000）

1 引言

近年來，隨著全球各國對海洋領域的探索越來越迫切，水下目標地形地貌的精準探測成像技術成為當下研究的熱點問題。合成孔徑聲吶技術作為一種全新的三維成像技術，與雷達技術基本相似，它的工作原理是通過勻速直線運動中的小孔徑基陣，周期性向目標位置點發(fā)出線性調頻信號，根據(jù)接收到的信號累加到一起，形成連續(xù)的虛擬大孔徑基陣，以此提高聲吶的高分辨率，確保對水下地理環(huán)境面貌的全覆蓋測量，精準測量出水下位置的深度信息，實現(xiàn)水下目標三維成像的精準化、科學化。該技術的最大優(yōu)勢是成像的分辨率較高，與水下地形地貌的距離遠近及信號的頻率無關。在民用領域主要是應用在海洋開發(fā)、地質勘探、海底地貌繪制等方面。

2 合成孔徑聲吶技術的發(fā)展歷程

2.1 國外的研究現(xiàn)狀

美國雷聲公司在航天、航空等領域有著突破性的技術。該公司于1967年最早開始對合成孔徑聲吶技術進行研究，在最初研究時期技術進步程度緩慢，大多數(shù)專家都在對技術解決圖像繪制問題的可行性進行探討，當時社會上主流觀點認為，由于水聲信道傳播的環(huán)境比較復雜，不同信號回傳之間會出現(xiàn)干擾，尤其是在淺海地區(qū)傳播環(huán)境更差，他們普遍認為水聲信道不利于合成孔徑處理[1]。由于聲波載體的傳播速度，較其他電波傳播的相對較慢，造成信號空間采樣率比較低，影響合成孔徑聲吶發(fā)射載體的運行速度，使得水下地形地貌繪制的效率大幅度降低。在這個階段大部分學者對合成孔徑聲吶技術的前景不看好，但另一部分學者仍然堅信合成孔徑聲吶成像技術會解決現(xiàn)有的探測問題，他們另辟蹊徑，在實驗室經過一系列的探索和研究，最終發(fā)現(xiàn)水聲信號的相干性可以滿足合成孔徑成像的需求，載體運行速度慢、信號空間采樣率低等問題也可以通過多子陣的算法得以有效解決。進入到20世紀90年代，隨著人們對海洋的開發(fā)和利用，在巨大的民用和軍事市場需求的拉動下，歐美國家持續(xù)將合成孔徑聲吶技術作為研究課題，使得該技術獲得突飛猛進的發(fā)展，相關技術水平不斷成熟，應用領域逐步擴大到民用范圍。1993年，新西蘭研制出SAS系統(tǒng)，這是全球第一臺合成孔徑聲吶海式樣機系統(tǒng)，對海洋探測具有里程碑式的意義[2]。而后隨著各類算法不斷完善，探測水平已經可以實現(xiàn)大范圍內對海底面貌進行繪制，圖像的分辨質量也獲得大幅度提升。

2.2 國內的研究現(xiàn)狀

我國在合成孔徑聲吶的研究方面起步較晚，但隨著我國對軍事及海洋探測方面加大投入，國家將合成孔徑聲吶技術作為重點攻關課題，隨著國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）課題的實施，在原國家科委主任宋健院士的組織下，合成孔徑聲吶技術于1997年開始實施研究，中科院聲學所和中船重工業(yè)715所開始分別組建了科研團隊[3]。1998年，中科院聲學所第一次在湖面上進行合成孔徑聲吶測試，獲得了水面下大量清晰的水底成像圖。到2000年，中船重工業(yè)715所對SAS系統(tǒng)進行動態(tài)測試，對出現(xiàn)的相位差進行補償，使合成孔徑探測技術不斷完善。到2002年，我國研制的湖面測試樣機獲得成功，分辨率能夠達到10 cm，可探測水面下的距離達到400 m，這是我國第一臺擁有自主研發(fā)實力的合成孔徑聲吶系統(tǒng)，而后在我國近海領域測試取得較好成效。歷經長時間的研發(fā)，到2012年中國科學院聲學研究所完成高頻型SAS和雙頻型SAS的研發(fā)，至此我國合成孔徑聲吶技術已經取得突破性進展，能夠完成海底地形地貌和掩埋管道的探測。并在

2018年，中國科學院聲學研究所確定了合成孔徑聲吶國內行業(yè)標準，為行業(yè)的發(fā)展指明了正確的方向。

3 合成孔徑聲吶成像技術

3.1 合成孔徑的基本原理

合成孔徑聲吶是基于方位調整增強分辨率信號的一種處理技術，它與常規(guī)的信號波束的不同之處，是根據(jù)船舶載體的勻速運動形態(tài)，采取周期性的發(fā)射頻率發(fā)送聲吶信號，對接收的信號進行相位的疊加，使信號的脈沖寬度變得很窄，虛擬形成連續(xù)的大孔徑基陣。如圖1所示，在孔徑的運動方向上有X、Y、Z 3個方位地點，在X點的地方，目標位置在發(fā)射聲吶信號的前沿，在Y點的地方，目標位置在發(fā)射聲吶信號的中間，在Z點的地方，目標位置在發(fā)射聲吶信號的后沿。從X到Z之間的距離，總體上構成合成孔徑長度LXZ，這代表在這個區(qū)間內回傳的聲吶信號可以相互疊加，這是回傳聲吶信號合成處理的最大距離。再根據(jù)各個虛擬位置接收到的信號進行疊加，由此得到該方向上的窄波通道，進而提高水下呈現(xiàn)技術的高分辨率。合成孔徑聲吶技術本質就是通過時間的疊加來實現(xiàn)空間增益的效果。

圖1 合成孔徑聲吶技術工作基本原理

3.2 合成孔徑的成像算法

成像算法是合成孔徑聲吶技術的研究難點，由于調頻發(fā)射機發(fā)射載波初始位置不同，就會發(fā)生相位變化，由此造成圖像的準確性下降，需要采用合成孔徑的成像算法，解決各調頻發(fā)射機開機時載波初始相位不同引起的相位差對成像圖的影響。合成孔徑之所以能夠繪制水下地貌，很重要的原因是通過發(fā)射信號，根據(jù)接收信號的時延數(shù)據(jù)計算出目標距離與收發(fā)能換器之間的距離，通過演算得出目標距離的具體位置及地理環(huán)境。合成孔徑成像算法主要有時域延時求和算法、距離多普勒算法、Chirp-Scaling、波數(shù)域算法等算法[4]，各個合成孔徑成像算法的不同，各自的特點也不相同，優(yōu)勢和劣勢也各不相同。如時域逐點延時相加法是合成孔徑聲吶基礎的成像算法，該算法運算的效率沒有其他算法高，其運算量巨大，但該方法對于接收多個矩陣成像及空間成像不均勻性影響小，算法十分靈活。假設n和m是方位的樣本點和距離向樣本點，則該算法的圖像輸出公式是Msa代表著合成孔徑的采集數(shù)量表示載體運動引起的時延變化。而距離多普勒算法雖然效率較高，但由于需要插值計算，使得回傳聲吶信號的精度下降，需要通過二階距離壓縮（SRC）方式進行處理。每種算法都有其各自的優(yōu)勢，可有效解決初始位置不同而引起相位差的問題，經過近些年對算法的研究及應用，合成孔徑算法可以說是已經趨于成熟，能夠滿足日常對探測環(huán)境的應用需求[5]。

3.3 合成孔徑的運動補償

在復雜多變的海洋環(huán)境中，由于船舶中受潮汐、海流以及風浪的影響較大，載體無法嚴格按照直線航跡勻速運動，船舶在行駛中會使航線發(fā)生偏離現(xiàn)象，這種運動的誤差最終會影響合成孔徑成像的質量。運動誤差見圖2。

圖2 合成孔徑聲吶實際運動軌跡

為確保圖像質量不發(fā)生誤差，載體航線的線路要盡可能保持平直，最大偏移誤差要小于±(λ/8～λ/4)，否則就會對最終成像的質量產生明顯影響。因此，若想達到高分辨率的圖像，必須要通過運動補償?shù)姆绞?，減少航行因素帶來的影響。

4 結語

綜上所述，合成孔徑在雷達及海洋探測中的應用程度已遠超過最初的設想，實現(xiàn)了快速的發(fā)展。但目前合成孔徑聲吶系統(tǒng)的測繪速度仍然是制約該技術發(fā)展的難題，為實現(xiàn)合成孔徑聲吶的實時性測繪，未來需要進一步改善算法，增強測繪的速度及準確性。相信隨著合成孔徑聲吶技術理論及實踐研究的不斷深入，未來SAS系統(tǒng)的處理速度與處理能力會大幅度提升，運動補償?shù)募夹g也會隨之進步，相應的成像分辨率與質量也將更清晰。