合成孔徑聲吶技術(shù)的現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)

萬(wàn) 駿

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 湖北 宜昌 443000）

1 引言

近年來(lái)，隨著全球各國(guó)對(duì)海洋領(lǐng)域的探索越來(lái)越迫切，水下目標(biāo)地形地貌的精準(zhǔn)探測(cè)成像技術(shù)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。合成孔徑聲吶技術(shù)作為一種全新的三維成像技術(shù)，與雷達(dá)技術(shù)基本相似，它的工作原理是通過(guò)勻速直線運(yùn)動(dòng)中的小孔徑基陣，周期性向目標(biāo)位置點(diǎn)發(fā)出線性調(diào)頻信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)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(duì)水下地理環(huán)境面貌的全覆蓋測(cè)量，精準(zhǔn)測(cè)量出水下位置的深度信息，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)三維成像的精準(zhǔn)化、科學(xué)化。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是成像的分辨率較高，與水下地形地貌的距離遠(yuǎn)近及信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。在民用領(lǐng)域主要是應(yīng)用在海洋開(kāi)發(fā)、地質(zhì)勘探、海底地貌繪制等方面。

2 合成孔徑聲吶技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

美國(guó)雷聲公司在航天、航空等領(lǐng)域有著突破性的技術(shù)。該公司于1967年最早開(kāi)始對(duì)合成孔徑聲吶技術(shù)進(jìn)行研究，在最初研究時(shí)期技術(shù)進(jìn)步程度緩慢，大多數(shù)專(zhuān)家都在對(duì)技術(shù)解決圖像繪制問(wèn)題的可行性進(jìn)行探討，當(dāng)時(shí)社會(huì)上主流觀點(diǎn)認(rèn)為，由于水聲信道傳播的環(huán)境比較復(fù)雜，不同信號(hào)回傳之間會(huì)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(rèn)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(duì)較慢，造成信號(hào)空間采樣率比較低，影響合成孔徑聲吶發(fā)射載體的運(yùn)行速度，使得水下地形地貌繪制的效率大幅度降低。在這個(gè)階段大部分學(xué)者對(duì)合成孔徑聲吶技術(shù)的前景不看好，但另一部分學(xué)者仍然堅(jiān)信合成孔徑聲吶成像技術(shù)會(huì)解決現(xiàn)有的探測(cè)問(wèn)題，他們另辟蹊徑，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)一系列的探索和研究，最終發(fā)現(xiàn)水聲信號(hào)的相干性可以滿足合成孔徑成像的需求，載體運(yùn)行速度慢、信號(hào)空間采樣率低等問(wèn)題也可以通過(guò)多子陣的算法得以有效解決。進(jìn)入到20世紀(jì)90年代，隨著人們對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用，在巨大的民用和軍事市場(chǎng)需求的拉動(dòng)下，歐美國(guó)家持續(xù)將合成孔徑聲吶技術(shù)作為研究課題，使得該技術(shù)獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)水平不斷成熟，應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)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(tái)合成孔徑聲吶海式樣機(jī)系統(tǒng)，對(duì)海洋探測(cè)具有里程碑式的意義[2]。而后隨著各類(lèi)算法不斷完善，探測(cè)水平已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)對(duì)海底面貌進(jìn)行繪制，圖像的分辨質(zhì)量也獲得大幅度提升。

2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)在合成孔徑聲吶的研究方面起步較晚，但隨著我國(guó)對(duì)軍事及海洋探測(cè)方面加大投入，國(guó)家將合成孔徑聲吶技術(shù)作為重點(diǎn)攻關(guān)課題，隨著國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題的實(shí)施，在原國(guó)家科委主任宋健院士的組織下，合成孔徑聲吶技術(shù)于1997年開(kāi)始實(shí)施研究，中科院聲學(xué)所和中船重工業(yè)715所開(kāi)始分別組建了科研團(tuán)隊(duì)[3]。1998年，中科院聲學(xué)所第一次在湖面上進(jìn)行合成孔徑聲吶測(cè)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(duì)SAS系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，對(duì)出現(xiàn)的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，使合成孔徑探測(cè)技術(shù)不斷完善。到2002年，我國(guó)研制的湖面測(cè)試樣機(jī)獲得成功，分辨率能夠達(dá)到10 cm，可探測(cè)水面下的距離達(dá)到400 m，這是我國(guó)第一臺(tái)擁有自主研發(fā)實(shí)力的合成孔徑聲吶系統(tǒng)，而后在我國(guó)近海領(lǐng)域測(cè)試取得較好成效。歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)，到2012年中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所完成高頻型SAS和雙頻型SAS的研發(fā)，至此我國(guó)合成孔徑聲吶技術(shù)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，能夠完成海底地形地貌和掩埋管道的探測(cè)。并在

2018年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所確定了合成孔徑聲吶國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)

3.1 合成孔徑的基本原理

合成孔徑聲吶是基于方位調(diào)整增強(qiáng)分辨率信號(hào)的一種處理技術(shù)，它與常規(guī)的信號(hào)波束的不同之處，是根據(jù)船舶載體的勻速運(yùn)動(dòng)形態(tài)，采取周期性的發(fā)射頻率發(fā)送聲吶信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行相位的疊加，使信號(hào)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(yùn)動(dòng)方向上有X、Y、Z 3個(gè)方位地點(diǎn)，在X點(diǎn)的地方，目標(biāo)位置在發(fā)射聲吶信號(hào)的前沿，在Y點(diǎn)的地方，目標(biāo)位置在發(fā)射聲吶信號(hào)的中間，在Z點(diǎn)的地方，目標(biāo)位置在發(fā)射聲吶信號(hào)的后沿。從X到Z之間的距離，總體上構(gòu)成合成孔徑長(zhǎng)度LXZ，這代表在這個(gè)區(qū)間內(nèi)回傳的聲吶信號(hào)可以相互疊加，這是回傳聲吶信號(hào)合成處理的最大距離。再根據(jù)各個(gè)虛擬位置接收到的信號(hào)進(jìn)行疊加，由此得到該方向上的窄波通道，進(jìn)而提高水下呈現(xiàn)技術(shù)的高分辨率。合成孔徑聲吶技術(shù)本質(zhì)就是通過(guò)時(shí)間的疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)空間增益的效果。

圖1 合成孔徑聲吶技術(shù)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(shù)的研究難點(diǎn)，由于調(diào)頻發(fā)射機(jī)發(fā)射載波初始位置不同，就會(huì)發(fā)生相位變化，由此造成圖像的準(zhǔn)確性下降，需要采用合成孔徑的成像算法，解決各調(diào)頻發(fā)射機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)載波初始相位不同引起的相位差對(duì)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(guò)發(fā)射信號(hào)，根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)延數(shù)據(jù)計(jì)算出目標(biāo)距離與收發(fā)能換器之間的距離，通過(guò)演算得出目標(biāo)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(shí)域延時(shí)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(gè)合成孔徑成像算法的不同，各自的特點(diǎn)也不相同，優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)也各不相同。如時(shí)域逐點(diǎn)延時(shí)相加法是合成孔徑聲吶基礎(chǔ)的成像算法，該算法運(yùn)算的效率沒(méi)有其他算法高，其運(yùn)算量巨大，但該方法對(duì)于接收多個(gè)矩陣成像及空間成像不均勻性影響小，算法十分靈活。假設(shè)n和m是方位的樣本點(diǎn)和距離向樣本點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)引起的時(shí)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(jì)算，使得回傳聲吶信號(hào)的精度下降，需要通過(guò)二階距離壓縮（SRC）方式進(jìn)行處理。每種算法都有其各自的優(yōu)勢(shì)，可有效解決初始位置不同而引起相位差的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)近些年對(duì)算法的研究及應(yīng)用，合成孔徑算法可以說(shuō)是已經(jīng)趨于成熟，能夠滿足日常對(duì)探測(cè)環(huán)境的應(yīng)用需求[5]。

3.3 合成孔徑的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，由于船舶中受潮汐、海流以及風(fēng)浪的影響較大，載體無(wú)法嚴(yán)格按照直線航跡勻速運(yùn)動(dòng)，船舶在行駛中會(huì)使航線發(fā)生偏離現(xiàn)象，這種運(yùn)動(dòng)的誤差最終會(huì)影響合成孔徑成像的質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)誤差見(jiàn)圖2。

圖2 合成孔徑聲吶實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡

為確保圖像質(zhì)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(huì)對(duì)最終成像的質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。因此，若想達(dá)到高分辨率的圖像，必須要通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑴p少航行因素帶來(lái)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，合成孔徑在雷達(dá)及海洋探測(cè)中的應(yīng)用程度已遠(yuǎn)超過(guò)最初的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展。但目前合成孔徑聲吶系統(tǒng)的測(cè)繪速度仍然是制約該技術(shù)發(fā)展的難題，為實(shí)現(xiàn)合成孔徑聲吶的實(shí)時(shí)性測(cè)繪，未來(lái)需要進(jìn)一步改善算法，增強(qiáng)測(cè)繪的速度及準(zhǔn)確性。相信隨著合成孔徑聲吶技術(shù)理論及實(shí)踐研究的不斷深入，未來(lái)SAS系統(tǒng)的處理速度與處理能力會(huì)大幅度提升，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)也會(huì)隨之進(jìn)步，相應(yīng)的成像分辨率與質(zhì)量也將更清晰。