淺析SHADOWS 合成孔徑聲納的數(shù)據(jù)成像處理技術(shù)

劉 昆 ，牟 健* ，謝敬謙 ，賴新云，鄭 潔

（1.國家海洋局南海分局，廣東 廣州 510300；2.國家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510300）

海洋開發(fā)管理、水下物體探測、科研調(diào)查、軍事活動都需要高效清晰的水下觀測方法。在人們所熟知的各種輻射形式中，以聲波在海水中的傳播最佳。在渾濁和含鹽的海水中，無論光波或電磁波的衰減都遠較聲波的衰減為大。水聲成像技術(shù)是利用聲波在水下傳輸特性來進行水中目標物體成像、探測、識別和定位的技術(shù)，在軍事作戰(zhàn)、海洋調(diào)查、水下勘探、海洋工程、魚群探測、海洋權(quán)益維護等方面發(fā)揮著重要作用。

合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar,SAS)技術(shù)是目前世界上最先進、應(yīng)用最為廣泛的水下探測成像技術(shù)。它以合成孔徑理論為基礎(chǔ)，借鑒合成孔徑雷達的技術(shù)，以實現(xiàn)用小尺寸聲納基陣和低工作頻率滿足不同探測距離的高精度成像需求。因此，合成孔徑聲納可以獲得均勻恒定的高分辨率空間圖像，能比一般的聲納圖像高1～2個數(shù)量級[1]。

目前,合成孔徑聲納是國內(nèi)外海洋聲學(xué)成像領(lǐng)域的研究熱點。合成孔徑聲納的研究始于20世紀60年代，美國Raython公司開始進行原理研究，并取得了相關(guān)專利。但由于聲納載體不規(guī)則運動及水下復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境影響，制約了該技術(shù)的發(fā)展；20世紀80年代末，隨著合成孔徑成像雷達的研制成功和廣泛應(yīng)用，通過借鑒合成孔徑雷達的技術(shù)成果，推動了合成孔徑聲納技術(shù)的飛躍發(fā)展；到了20世紀90年代，合成孔徑聲納的研究受到歐美發(fā)達國家的普遍重視，合成孔徑聲納研究開始活躍起來。歐美在這方面處于領(lǐng)先地位，并于這個時期先后研制出了樣機和成熟的產(chǎn)品投入市場。進入21世紀之后，歐美大國已經(jīng)開始在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域大范圍的應(yīng)用合成孔徑聲納系統(tǒng)開展水下成像工作。我國在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的支持下，從20世紀90年代末開始啟動合成孔徑聲納的研制工作。國內(nèi)多家知名高校和研究所參與其中。經(jīng)過10多年的不斷探索和發(fā)展，我國在合成孔徑聲納理論及關(guān)鍵技術(shù)方面取得了長足進展和較大突破，已經(jīng)研制出了合成孔徑聲納樣機，并完成了一系列試驗，但目前還尚未真正投入使用[2]。

高分辨率的成像處理技術(shù)是合成孔徑聲納研究的難點和關(guān)鍵。本研究借鑒合成孔徑雷達的成像處理技術(shù)和相關(guān)算法，通過對海上現(xiàn)場實測的合成孔徑聲納原始數(shù)據(jù)進行解析和處理，實現(xiàn)了國內(nèi)首次應(yīng)用合成孔徑聲納系統(tǒng)進行水下高分辨率成像。該成像處理技術(shù)可以為我國在合成孔徑聲納的研制和應(yīng)用方面提供實踐參考。

1 SHADOWS合成孔徑聲納數(shù)據(jù)格式

1.1 SHADOWS性能簡介

SHADOWS是法國IXSEA公司采用軍事聲納的前沿水聲學(xué)成像技術(shù)，最新開發(fā)研制的世界上第一套商用合成孔徑聲納成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理是利用小尺寸聲納基陣勻速直線運動來虛擬大孔徑聲納基陣，以實現(xiàn)在大量程下的恒定高分辨率成像。該系統(tǒng)性能技術(shù)指標為：前置聲納頻率300 kHz；側(cè)掃聲納頻率100 kHz；覆蓋寬度1 000 m；分辨率：實時恒定15 cm，后處理后理論上可達5 cm；發(fā)射通道每側(cè)3個；接收通道每側(cè)24個；水下定位精度為斜距的0.2%；覆蓋角200°。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[3]。2010年國家海洋局引進了國內(nèi)第一套SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了多次海試及成像處理技術(shù)的研究。

圖1 SHADOWS 合成孔徑聲納結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 XTF格式

在介紹算法之前，首先介紹一下數(shù)據(jù)格式。SHADOWS合成孔徑聲納的原始數(shù)據(jù)采用XTF文件格式。XTF格式（eXtended Triton Format）由Triton公司創(chuàng)建，用于在一個文件內(nèi)存儲多種不同的數(shù)據(jù)源信息。因此，可以用來存儲多種類型的設(shè)備數(shù)據(jù)，包括導(dǎo)航數(shù)據(jù)、聲納數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)及遙測數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)格式保留了原有設(shè)備的數(shù)據(jù)格式，更方便將來數(shù)據(jù)的擴展和處理。

XTF文件由許多數(shù)據(jù)包組成，每個數(shù)據(jù)包前面都有關(guān)于數(shù)據(jù)類型和大小的說明。所有XTF文件都是由文件頭開始。文件頭由一個頭部說明和CHANINFO結(jié)構(gòu)組成，整個形成一個XTF文件頭的結(jié)構(gòu)。目前常用的XTF數(shù)據(jù)文件有測深數(shù)據(jù)、聲納影像數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)[4]。XTF文件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XTF 格式文件結(jié)構(gòu)

1.3 SHADOWS文件格式

SHADOWS合成孔徑聲納的XTF格式文件包含的信息量很大。它由文件頭和數(shù)據(jù)包組成，最小的組成單元是記錄，每個記錄的長度均為8 192字節(jié)。每個文件都包括不同的數(shù)據(jù)包，根據(jù)文件頭的標識信息來識別數(shù)據(jù)包的類型。SHADOWS合成孔徑聲納的XTF格式文件主要包括文件頭、位置數(shù)據(jù)包、姿態(tài)數(shù)據(jù)包與聲納數(shù)據(jù)包等。其中聲納數(shù)據(jù)包又包含系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)、波束數(shù)量數(shù)據(jù)、波束相位數(shù)據(jù)與波束質(zhì)量數(shù)據(jù)等。經(jīng)ISDA軟件解析后，其原始數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 原始數(shù)據(jù)解析截圖（部分）

2 SHADOWS合成孔徑聲納成像算法

2.1 合成孔徑聲納算法

合成孔徑聲納的成像算法研究是合成孔徑聲納研究的重點，也是當今聲納成像算法研究的難點。合成孔徑聲納利用對目標物體多次發(fā)射聲波并疊加回波的特殊聚焦算法，來取代傳統(tǒng)聲納的單次發(fā)射聲波并接收回波信號的聚焦方法，從而形成等效的大孔徑，實現(xiàn)在大量程下的高分辨率成像。它所要解決的問題是：如何把從空間不同順序位置采集到的原始回波數(shù)據(jù)，精確、高效、清晰的形成虛擬大孔徑基陣的高分辨聲納圖像。聲納圖像是三維空間物體形狀在二維圖像空間的投影。因此，合成孔徑聲納成像算法是二維的：一維是空間采樣信號；一維是時間采樣信號。圖像成像過程是聲納根據(jù)回波信號解算出聲納圖像的過程，相應(yīng)的計算方法稱之為成像算法。合成孔徑聲納成像算法可以用空間波束形成及疊加的概念來描述[5]，其原理如圖4所示。其公式可表述為：

式中：r0是目標到基陣平臺勻速直線運動軌跡的距離；y0是目標在基陣平臺運動方向的位置；(r0,y0)是目標在像平面上的坐標；sj(t,yj)是基陣在位置yj處收到的目標回波信號；τj是目標的時間延遲；Wj是加權(quán)系數(shù)。

圖4 成像原理示意圖

合成孔徑聲納數(shù)據(jù)成像算法可分為時域成像算法和頻域成像算法兩類。主要包括Range Doppler(RD)算法、Chirp Scaling(CS)算法和∞—k 算法等。以波束形成為基礎(chǔ)的逐線時域成像算法，是適合多波束形成的成像算法。它具有數(shù)學(xué)模型簡單、物理意義清晰、對視斜視兼容性好等特點，是理論上“最精確”的算法[6]。同時在算法實現(xiàn)方面，它還具有坐標系選取靈活、并行實時處理、任務(wù)分配方便、運動姿態(tài)補償直接簡便等優(yōu)點。因此目前多波束合成孔徑聲納成像算法大多采用逐線時域成像算法。這方面研究現(xiàn)在已經(jīng)取得了一定進展，其中一種算法是借鑒醫(yī)學(xué)CT成像中的后向投影算法(back projection，BP)而建立的快速分塊反向傳播投影(fast factorized back propjection FFBP)算法。該算法現(xiàn)已經(jīng)成功應(yīng)用在合成孔徑雷達的成像處理。

2.2 FFBP算法

FFBP成像算法本質(zhì)上是一種計算量和計算精度折衷的算法，在降低計算量的同時引入聲學(xué)誤差。FFBP算法是在極坐標系下進行計算的，通過因式分解，將全孔徑分解到極短的孔徑長度，采用極線圖像來近似區(qū)域圖像，通過孔徑合并和圖像分裂，迭代的步驟來完成合成孔徑成像。因此，一個完整的FFBP算法由孔徑合并和圖像分裂兩個部分組成，而且算法是迭代實施的[7]，如圖5所示。FFBP合成孔徑聲納成像算法可以在保證成像質(zhì)量的前提下大大降低成像的計算量。由于其具有時域成像算法靈活性高的優(yōu)點，因而非常適合用于實時合成孔徑聲納的信號處理，可以通過普通的服務(wù)器實現(xiàn)運算，大大降低信號處理系統(tǒng)的成本和難度，提高了設(shè)備的通用性。同時，F(xiàn)FBP成像算法采用的孔徑合并是迭代進行的，這種迭代計算的中間結(jié)果也可用來計算聲納基陣的運動軌跡和姿態(tài)誤差；這樣就使得采用FFBP算法在迭代中進行運動姿態(tài)補償變得更簡單，成像質(zhì)量也會更高；在能夠獲得基陣平臺實時運動參數(shù)的情況下，該算法能更適應(yīng)低信噪比環(huán)境和劇烈運動干擾的運動姿態(tài)補償。

圖5 FFBP 算法結(jié)構(gòu)示意圖

孔徑合并可以描述為：在極坐標系中,假設(shè)極線與坐標軸Y 的夾角為θ，合并后孔徑中心(yc,0)，n 個孔徑合并的過程可以描述為式（2）：

同時，為保持恒定的分辨率，伴隨著孔徑的不斷合并，極線所能近似的圖像區(qū)域會越來越小，這個過程即圖像分裂，分裂后圖像區(qū)域的大小可根據(jù)式（3）計算得到。

式中：Dm為圖像區(qū)域的大??；DL為孔徑長度；Rmin為最小距離；E 為誤差系數(shù)；λ 為波長。

SHADOWS合成孔徑聲納采用船尾拖曳航行的方式進行工作，拖魚離海底的高度一般控制在30 m左右。由于拖魚在水中航行時受到水流和拖曳船只的影響，會產(chǎn)生較大的噪音和運動姿態(tài)誤差，從而造成圖像散焦，因此必須進行實時的信號處理和運動姿態(tài)補償，而FFBP算法正好能滿足這方面的技術(shù)要求。

3 SHADOWS合成孔徑聲納成像應(yīng)用實例

3.1 海上實測

本次測試的海域水深100 m左右，根據(jù)以往的調(diào)查項目資料，該區(qū)域海底存在一條管線。測試當天，海況2級，風(fēng)力3級，浪高1 m，海況對采集到較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量有利；且該海域水深較大，采集到的數(shù)據(jù)適宜進行成像處理。作業(yè)船只為中國海監(jiān)1 500 t級執(zhí)法調(diào)查船。

在已知管線垂直方向布設(shè)5條測線，每條測線長1 500 m，間距300 m；平行已知管線方向布設(shè)1條測線，測線距離管線150 m，如圖6所示；以5 kn速度勻速跑完測線，記錄數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)的同時，實時顯示聲納圖像；待數(shù)據(jù)采集完成后，再應(yīng)用FFBP成像算法對采集到的XTF格式原始數(shù)據(jù)進行后處理并成像；然后對比兩種處理方法測量到的管線圖像，分析其精度、分辨率和處理時間等差異。

圖6 管線測試航跡示意圖

3.2 實測結(jié)果分析

對經(jīng)過FFBP算法處理后的信號（上）和實時采集到的信號（下）進行分析對比，從圖7可以明顯的看出，經(jīng)過FFBP算法處理后的信號，要比實時采集到的信號曲線更平滑，“毛刺”更少，主瓣更高，旁瓣更低，信噪比更好。

圖7 處理后的信號和實時信號對比截圖

對經(jīng)過FFBP算法處理后的圖像（左）和采集時實時顯示的圖像（右）進行分析對比，從圖8可以明顯的看出，F(xiàn)FBP算法的圖像結(jié)果與實時顯示的圖像基本相同，F(xiàn)FBP算法圖像結(jié)果中沒有遺漏任何地形地貌細節(jié)。但經(jīng)過FFBP算法處理后的圖像，要比采集時實時顯示的圖像分辨率要高，更清晰；不過，F(xiàn)FBP算法處理的數(shù)據(jù)量也更大，所需時間更長，大約是實時顯示圖像所需時間的3倍左右。

圖8 處理后的圖像和實時圖像對比截圖

4 總結(jié)與建議

4.1 總結(jié)

相對于傳統(tǒng)的實驗室理論仿真實驗，本次海上實測，首次實現(xiàn)了國內(nèi)場實時采集合成孔徑聲納的原始數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)的格式進行了研究和解析；此外，還采用快速分塊反向傳播投影(fast factorized back propjection FFBP)算法進行成像后處理，對合成孔徑聲納的整個成像過程，通過理論結(jié)合實踐的方式，驗證了該成像處理技術(shù)的可行性和適用性。由于在成像處理技術(shù)方面的優(yōu)越性，SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)圖像不存在失真現(xiàn)象，成像分辨率較高，通過后處理分辨率能達到10 cm以內(nèi)；對目標物定位精度能達到±1 m以內(nèi)；在鑲嵌圖方面，由于FFBP算法可以通過水下定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行實時運動姿態(tài)補償，故鑲嵌圖像上的成像連續(xù)性較好，沒有因明顯跳線而產(chǎn)生錯位的現(xiàn)象。

4.2 建議

由于這是我國引進的第一套SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)，所以實際工作中該系統(tǒng)的操作經(jīng)驗非常重要。經(jīng)過多次的海上測試，發(fā)現(xiàn)該套系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量受拖魚在水中航行姿態(tài)影響較為明顯，建議應(yīng)用流體力學(xué)理論專門研究拖魚姿態(tài)與海況、航速及流速之間的關(guān)系；另外，該系統(tǒng)目前只能二維平面成像，如果加裝多波束測深探頭，可以實現(xiàn)干涉合成孔徑聲納三維立體成像，從而能夠探測到懸浮在水中的物體，提高該套系統(tǒng)的探測能力，但相應(yīng)的三維立體成像處理技術(shù)會更復(fù)雜，建議以后進行專門的三維立體成像處理技術(shù)研究；最后，該套系統(tǒng)的XTF格式數(shù)據(jù)文件經(jīng)過后處理，其數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換生成地理信息系統(tǒng)（GIS）的GeoTIFF格式圖像文件，這為使用地理信息系統(tǒng)開發(fā)合成孔徑聲納的圖像數(shù)據(jù)庫打下基礎(chǔ)，建議今后在這方面進行深入的研究，以達到快速識別圖像的目的。

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