合成孔徑聲吶技術(shù)研究進(jìn)展

劉紀(jì)元

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190

圖像豐富、直觀，是信息的重要來源，在空氣中主要靠光學(xué)設(shè)備獲取。盡管光波、聲波和電磁波都是信息傳播的載體，但只有聲波能在水下遠(yuǎn)距離傳輸。對水下物體、地貌等聲學(xué)成像，用途十分廣泛。

水下聲成像設(shè)備也稱為圖像聲吶。圖像清晰是圖像聲吶最基本要求，這主要靠圖像分辨率提供保障。圖像聲吶的分辨率分為距離向分辨率和方位向分辨率。距離向分辨率是指聲波傳播方向的分辨能力，方位向分辨率是指與聲波傳播方向垂直的分辨能力。距離向分辨率決定于信號的脈沖寬度或頻帶寬度。方位向分辨率與聲吶基陣的大?。ㄒ卜Q為孔徑）有關(guān)。要提高方位向分辨率，可以采取加大聲吶基陣尺寸的辦法。但是加大聲吶基陣尺寸又受到基陣載體、工程實(shí)現(xiàn)等方面的限制。

用虛擬的孔徑代替真實(shí)的孔徑，可解決方位向分辨率的問題，相應(yīng)的聲吶就是合成孔徑聲吶（synthetic aperture sonar，SAS）[1-3]。與普通傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶相比，SAS 的主要優(yōu)點(diǎn)就是它可以得到很高的方位向空間分辨能力。

SAS 在水下目標(biāo)探測方面，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)越的性能：

（1）水下目標(biāo)探測方面，在較寬的測繪帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，目標(biāo)識別率比傳統(tǒng)聲吶大大提高。同時，由于較大的測繪效率和較高的識別率，探測平臺的出動次數(shù)和探測時間大大縮短。

（2）掩埋物（掩埋電纜和管線等）探測方面，SAS 探測具有不可替代的優(yōu)勢。30 kHz 甚至更低頻段的 SAS，具有很好的掩埋物探測能力。傳統(tǒng)的側(cè)掃聲吶不能工作在此頻段；而淺剖聲吶測繪條帶寬度極窄，大范圍掃測的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 SAS。因此，低頻 SAS 被認(rèn)為是掩埋物探測最可行、最有潛力的手段。

1 合成孔徑聲吶成像技術(shù)

1.1 合成孔徑聲吶成像算法

聲吶成像是由回波信號解算出聲吶圖像（反射系數(shù)矩陣）的過程。SAS 成像算法是在 SAR 算法、CT 成像算法、地震波反演、聲吶方位波束形成方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SAS 成像的研究目前主要集中在條帶式（stripmap）正側(cè)視（broadside looking）場景，斜視和聚束 SAS 成像也開始引起研究者的注意。

SAS 成像中聲波的波長通常為分米波和厘米波，與典型的 SAR 成像波長相近。由于水聲速度低，相同波長 SAS 對應(yīng)的水聲頻率很低，如水聲信號波長 1.5 cm 對應(yīng)的頻率為 100 kHz、波長 1.5 dm 對應(yīng)的頻率為 10 kHz （水聲傳播速度取 1 500 m/s) 。頻帶足夠?qū)挷拍芴岣叱上竦木嚯x分辨率, 因?yàn)檩d頻低，所以 SAS 成像通常相對帶寬較大。因此，SAR 成像中 RD、CS 等適合窄帶的算法，在 SAS 成像中很少采用。ωk 是一種適合寬帶成像的頻域算法，SAS 領(lǐng)域普遍采用。但是，SAS 采用多接收子陣成像，存在空間采樣不均勻問題，需要相位修正才能完成頻域處理。

時域逐點(diǎn)延時相加法，是 SAS 最基本的成像方法，相當(dāng)于 SAR 中的二維時域相關(guān)處理法。這種方法運(yùn)算效率比頻域算法低得多，在實(shí)時成像系統(tǒng)中較少采用。但是時域算法對多接收子陣成像，空間采樣不均勻性影響小、處理靈活。FFBP 算法是一種源于醫(yī)學(xué)影像中的快速后向投影算法，通過犧牲一定的分辨率提升運(yùn)算速度?；诙S矩陣數(shù)表的時域方法，通過存儲多個事先計(jì)算好的多個二維矩陣，實(shí)現(xiàn)實(shí)時成像。該方法通過增加一定的數(shù)據(jù)存儲單元，實(shí)現(xiàn)了高速精確的實(shí)時成像。

經(jīng)過多年的發(fā)展，SAS 成像算法基本成熟，可以滿足工程實(shí)際要求。

1.2 合成孔徑聲吶運(yùn)動補(bǔ)償

從 SAS 概念的提出到現(xiàn)在，運(yùn)動補(bǔ)償一直是本領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)問題[4-7]。對于合成孔徑處理，“運(yùn)動”既是解答又是問題[9]。一方面，孔徑的合成依靠運(yùn)動；另一方面，運(yùn)動誤差（運(yùn)動未按照理想模型進(jìn)行而帶來的誤差）會對成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。運(yùn)動誤差的測量、估計(jì)及補(bǔ)償是 SAS 處理中十分關(guān)鍵的問題。

該方面的研究是在借鑒 SAR 領(lǐng)域的成果之上進(jìn)行的。SAS 運(yùn)動基本思路是按照大的運(yùn)動誤差抑制由運(yùn)動誤差估計(jì)及補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，殘余的運(yùn)動誤差及聲波傳輸媒質(zhì)不穩(wěn)定的影響可通過回波數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)一步補(bǔ)償。

盡管從起步階段一直是關(guān)注的問題，也取得一系列研究成果，SAS 運(yùn)動補(bǔ)償研究遠(yuǎn)未成熟。而且隨著分辨率、作用距離等需求不斷提升，工程上對運(yùn)動補(bǔ)償要求也越來越高。

1.2.1 基于回波的運(yùn)動補(bǔ)償

根據(jù)理論分析，運(yùn)動誤差超過波長的 1/8 就會對 SAS 成像產(chǎn)生明顯影響。早期 SAS 運(yùn)動補(bǔ)償研究，主要集中在回波數(shù)據(jù)的相關(guān)性及其在運(yùn)動補(bǔ)償方面的應(yīng)用上。因?yàn)轵?yàn)證主要依拖曳平臺進(jìn)行，較少配置運(yùn)動測量設(shè)備，即使配有高性能的組合慣性測量（或慣導(dǎo)）也達(dá)不到要求的精度。

基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動補(bǔ)償主要圍繞 D P C（displaced phase center）或改進(jìn)型展開。DPC 方法與雷達(dá)成像中的動目標(biāo)檢測相似，利用多接收子陣相鄰周期回波的重疊相位中心相位，估計(jì)出運(yùn)動誤差，從而進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，相關(guān)研究也有一些成果[8-10]。

通過各距離上回波數(shù)據(jù) DPC 及平均處理，可以得到運(yùn)動誤差估計(jì)，再將得到的估值修正各距離上回波數(shù)據(jù)，就完成了運(yùn)動補(bǔ)償過程。這類基于回波的運(yùn)動補(bǔ)償，在仿真試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室水槽試驗(yàn)中，可以取得較好效果。但是，對湖海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)動補(bǔ)償效果還存在魯棒性問題。與 SAR 不同，SAS 成像具有大距離向開角的特點(diǎn)，空變效應(yīng)明顯。非理想運(yùn)動航跡產(chǎn)生的誤差，映射到不同距離的回波數(shù)據(jù)上，盡管變化規(guī)律相近但誤差曲線不完全相同，空變效應(yīng)越大、誤差曲線差異性越大。解決空變的方法按照距離分段進(jìn)行運(yùn)動誤差估計(jì)及其相應(yīng)的運(yùn)動補(bǔ)償，但是分段過多會帶來誤差估計(jì)信噪比降低、各段邊緣相位連續(xù)性變差等問題。

1.2.2 基于運(yùn)動傳感器的運(yùn)動補(bǔ)償

SAR 運(yùn)動平臺（如飛機(jī)、衛(wèi)星等）一般配有運(yùn)動傳感器（慣導(dǎo)），SAR 成像中通過運(yùn)動傳感器進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償（粗補(bǔ)償），并通過后續(xù)的圖像域進(jìn)行自聚焦處理，對殘余誤差進(jìn)行補(bǔ)償（精補(bǔ)償）。

SAS 研究早期中采用拖曳試驗(yàn)平臺一般不配備高精度運(yùn)動傳感器。隨著 SAS 技術(shù)不斷發(fā)展、工程上也開始得到應(yīng)用，近年來先進(jìn)的 SAS 系統(tǒng)也開始配組合運(yùn)動傳感器（如光纖陀螺儀、聲學(xué)多普勒計(jì)程儀、水下超短基線定位儀等）。另外，無人潛航器（UUV）平臺都配有慣導(dǎo)系統(tǒng)，可為 UUV 搭載的 SAS 系統(tǒng)提供運(yùn)動測量信息，用于相應(yīng)運(yùn)動補(bǔ)償。

法國 Xblue 公司采用 Phins 組合運(yùn)動傳感器與 DPC 融合方面，一直開展相關(guān)研究，并取得一定進(jìn)展。

1.3 基于地理信息系統(tǒng)的圖像鑲嵌

利用 SAS 搭載平臺的運(yùn)動測量信息生成的地理信息系統(tǒng)，可以對目標(biāo)自動定位、支持自主作業(yè)航跡規(guī)劃。在地理信息系統(tǒng)中，對條帶成像后的聲圖進(jìn)行鑲嵌（或稱拼接），形成大范圍的圖像。

基于地理信息的粗粒度拼接，主要利用多幅圖像的地理信息，典型的如 GPS，將多幅圖像的重疊部分進(jìn)行融合后拼接。其基本步驟如下：

（1）圖像預(yù)處理。

（2）構(gòu)造特定分辨率的圖像矩陣，并確定各網(wǎng)點(diǎn)的地理信息。

（3）計(jì)算多幅待鑲嵌圖像各點(diǎn)的地理信息，并將各點(diǎn)的地理信息與構(gòu)造的圖像矩陣進(jìn)行對應(yīng)，將像素值增加至相應(yīng)的圖像矩陣網(wǎng)點(diǎn)上。

基于圖像特征的細(xì)粒度拼接，利用圖像本身的各類統(tǒng)計(jì)特性或特征進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)和拼接。在粗拼接的基礎(chǔ)上，進(jìn)行精細(xì)處理，可獲得更好效果。

1.4 水聲環(huán)境影響

水聲信道的穩(wěn)定性、時間相關(guān)性與空間相關(guān)性以及物體聲散射特性等是合成孔徑聲吶的物理基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 70—80 年代的研究和一些實(shí)際海上測試工作，主要集中在合成孔徑技術(shù)在水下是否能夠應(yīng)用方面。試驗(yàn)表明，海洋聲場的空間相干長度一般有幾十到幾百個波長，時間相干性一般有幾分鐘到幾十分鐘，能夠滿足孔徑合成的要求。

成像中聲波傳播過程受水聲信道制約是從信息傳輸?shù)慕嵌让枋?，從水聲物理的角度來說，這個過程主要受水聲環(huán)境的影響和制約。隨著 SAS 研究的深入和工程上的成功應(yīng)用，水聲環(huán)境對成像的影響也不斷深化。水聲環(huán)境的制約是影響 SAS 成像質(zhì)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素，開展該方面的研究是十分有意義的。但水聲環(huán)境不同區(qū)域差異大，需要大量試驗(yàn)支持，相關(guān)結(jié)果在圖像重建中模型修正復(fù)雜；該方面的研究的特點(diǎn)是高投入、高風(fēng)險，若能取得實(shí)效也將高回報[11]。

2 合成孔徑聲吶技術(shù)發(fā)展歷程

2.1 國外情況

聲吶和雷達(dá)從原理到應(yīng)用有很多相似之處，而合成孔徑聲吶與合成孔徑雷達(dá)，更像一對孿生兄弟，經(jīng)歷了相似的發(fā)展過程。合成孔徑雷達(dá)于 20 世紀(jì) 50—60 年代起步，于 20 世紀(jì) 80 年代快速發(fā)展，并取代傳統(tǒng)側(cè)視雷達(dá)成為對地觀測重要手段。

SAS 研究從 20 世紀(jì) 60 年代起步，20 世紀(jì) 60—70 年代發(fā)展緩慢，主要原因是技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的困難問題和對技術(shù)上是否可行的認(rèn)識問題。在 SAS 研究領(lǐng)域，制約其技術(shù)發(fā)展的兩個關(guān)鍵問題：① 水聲信道，水聲環(huán)境（時變信道）一般比較惡劣，不同回波信號的相干性是個問題。特別是淺海水聲環(huán)境條件不理想，同空氣中電磁波工作環(huán)境相比，是更為“敵意”的媒質(zhì)。這是當(dāng)時主流觀點(diǎn)認(rèn)為水聲信道太不穩(wěn)定，不適合合成孔徑處理。② 聲波傳播速度比電磁波慢得多，由于方位模糊問題，使得信號空間采樣率較低，這極大地限制了 SAS 載體的運(yùn)動速度，進(jìn)而限制了測繪速度的提高。

在 SAS 研究處于低潮時期，仍有一些學(xué)者堅(jiān)持不懈地探索，并進(jìn)行了一系列水聲環(huán)境實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水聲信號的相干性能夠滿足合成孔徑成像要求。聲傳播速度慢導(dǎo)致信號空間采樣率低和限制 SAS 載體運(yùn)動速度等問題也可以通過多子陣的辦法來彌補(bǔ)。

進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，西方主要發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨資，針對 SAS 科學(xué)和技術(shù)問題開展研究工作。

進(jìn)入 21 世紀(jì)，SAS 技術(shù)取得了快速發(fā)展：相關(guān)技術(shù)已達(dá)到實(shí)用水平，相應(yīng)的產(chǎn)品和軍用裝備也已經(jīng)出現(xiàn)。

據(jù) Unmanned Vehicles 和《簡氏防務(wù)周刊》報道，美國海軍把 Edge Tech 4400 合成孔徑聲吶系統(tǒng)裝到獵雷 UUV上，作用距離提高 4 倍、分辨率提高 36 倍。該型聲吶美國已經(jīng)對外禁運(yùn)。

2.2 國內(nèi)情況

國內(nèi) SAS 技術(shù)的系統(tǒng)性研究，是在國家“863”計(jì)劃的支持下開展起來的。1997 年，在原國家科委主任宋健院士的倡導(dǎo)下，SAS 正式列為國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目。在李啟虎院士組織和帶領(lǐng)下，一支充滿活力、有創(chuàng)新精神的科研隊(duì)伍迅速組成，開始了 SAS 理論和技術(shù)的研究工作。

經(jīng)過多年堅(jiān)持不懈，我國在 SAS 研究方面進(jìn)步巨大。先后突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制出多型、多頻段 SAS 成像系統(tǒng)，技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)，部分技術(shù)國際領(lǐng)先水平。

我國在 SAS 技術(shù)研究方面起步晚，但發(fā)展非?？臁Ｖ袊茖W(xué)院聲學(xué)研究所于“九五”“十五”和“十一五”期間持續(xù)得到“863”計(jì)劃支持。經(jīng)歷了原理和關(guān)鍵技術(shù)探索、海試樣機(jī)和工程樣機(jī)研制等階段，在關(guān)鍵技術(shù)和多型系統(tǒng)研制方面，取得了一系列重大突破。2010 年底最新完成的 SAS 工程樣機(jī)，是世界上首次研制完成同時具備高、低頻同步實(shí)時成像能力的 SAS 系統(tǒng)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，該系統(tǒng)在掩埋目標(biāo)探測和識別方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。SAS 工作在高頻段，可大幅提高成像分辨率，成為傳統(tǒng)側(cè)掃的升級換代產(chǎn)品。而在低頻段，它可穿透成像，實(shí)現(xiàn)對掩埋物的探測識別，填補(bǔ)傳統(tǒng)成像聲吶在該方面的空白。

國外 SAS 研究一般從高頻 SAS 起步，而我國 SAS 研究起步階段選擇低頻 SAS 作為切入點(diǎn)。盡管低頻 SAS 技術(shù)難度大、技術(shù)突破時間歷程長，但是需求更迫切。

2012 年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所高頻型 SAS 和雙頻型 SAS 完成設(shè)計(jì)定型。此后，在 SAS 系統(tǒng)研究及產(chǎn)品化方面，取得長足進(jìn)展，并在一系列國際合作、國內(nèi)重大項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得非常好的應(yīng)用成果。2018 年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所就三頻合成孔徑聲吶設(shè)計(jì)方法建立了首個合成孔徑聲吶國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

通過湖上、海上試驗(yàn)，取得了大量清晰水底和小目標(biāo)圖像的試驗(yàn)結(jié)果。許多高質(zhì)量成像，遠(yuǎn)好于國外的試驗(yàn)結(jié)果。圖 1 為一組湖底高頻地貌精細(xì)成像。千島湖為人工湖，被淹沒前為農(nóng)田，圖中可見梯田、河道、廢棄橋墩等。

雙頻 SAS 可高低頻同步成像，便于掩埋與非掩埋狀態(tài)的識別。圖 2a 和 b 分別為低頻 SAS 和高頻 SAS 對同一個區(qū)域同時成像的結(jié)果。圖 2a 為掩埋輸油管低頻穿透成像結(jié)果，而圖 2b 為同一區(qū)域高頻表面成像結(jié)果。通過兩圖比對，確定油管為掩埋狀態(tài)。

圖1 高頻合成孔徑聲吶千島湖水下地貌成像結(jié)果（a）淹沒在水下的山坡和農(nóng)田；（b）淹沒在水下的梯田；（c）淹沒在水下的橋墩與河道

3 合成孔徑聲吶技術(shù)的發(fā)展趨勢

SAS 從理論研究上逐步深入，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用。理論和技術(shù)研究的主要趨勢：

（1）SAS 系統(tǒng)集成技術(shù)，尤其針對多頻段（高、中、低）和多平臺（拖曳、舷側(cè)、UUV 等）等背景的SAS應(yīng)用問題，是該技術(shù)推廣應(yīng)用中的重要問題。

（2）緊跟電子技術(shù)的快速發(fā)展、結(jié)合主流發(fā)展的實(shí)時處理系統(tǒng)架構(gòu)，不斷探索相應(yīng)的高效快速成像算法，會持續(xù)提升 SAS 系統(tǒng)實(shí)時處理能力及性能水平。

（3）運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)是永恒的主題，隨 SAS 性能提升會不斷提出更高要求。慣導(dǎo)和運(yùn)動測量技術(shù)的不斷進(jìn)步也會帶動 SAS 運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展。

圖2 海底相同區(qū)域高低頻合成孔徑聲吶成像結(jié)果（a）低頻合成孔徑聲吶成像結(jié)果（掩埋深度1 m的海底輸油管道）；（b）高頻合成孔徑聲吶成像結(jié)果（無穿透能力，看不到掩埋油管）

（4）與水聲物理理論研究相結(jié)合，會推動 SAS 研究的深入發(fā)展。目前聲吶成像信號處理一般把聲場環(huán)境假定為理想的自由場，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是基于該假設(shè)下得到的。理想的自由場假設(shè)，與實(shí)際聲場環(huán)境，特別是近海海洋環(huán)境差距較大。開展合成孔徑成像的水聲物理理論研究，一定會促進(jìn)成像處理性能的進(jìn)一步提高。