多波束側(cè)掃聲納的再認(rèn)識(shí)*

黃梓楠 唐勁松 馬夢(mèng)博 吳浩然

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

側(cè)掃聲納是利用入射聲波在物體表面的散射原理獲取水底地形地貌特征，提供水底形態(tài)直觀聲學(xué)圖像的水聲設(shè)備[1]，可以廣泛應(yīng)用在海洋勘測(cè)、水雷探測(cè)和打撈沉船飛機(jī)殘骸等水下探測(cè)活動(dòng)上。

相比傳統(tǒng)側(cè)掃聲納，多波束側(cè)掃聲納沿方位向形成多個(gè)平行的波束，一發(fā)多收，提高了信號(hào)的空間采樣率，很好地解決了近程和高速拖曳情形下目標(biāo)丟失的“燈下黑”現(xiàn)象。近年來，美國L-3 Klein公司的Klein 5900、Klein5000_V2多波束側(cè)掃聲納代表了世界側(cè)掃聲納發(fā)展的最前沿水平[2]，可以得到高質(zhì)量的圖像。但國內(nèi)多波束側(cè)掃技術(shù)研究不充分，工作機(jī)理分析得不夠透徹，且在高速掃測(cè)時(shí)存在圖像質(zhì)量下降的問題。

本文通過對(duì)設(shè)計(jì)出的多波束側(cè)掃側(cè)掃聲納系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的回波仿真，分析了多波束側(cè)掃方位向線分辨率的仿真結(jié)果與理論值的差異，將多波束側(cè)掃成像與合成孔徑成像建立聯(lián)系。

2 多波束側(cè)掃聲納及其設(shè)計(jì)

2.1 單波束側(cè)掃聲納

聲納的波束形狀如圖1所示，波束寬度[3]與方位向線分辨率[4]分別為

圖1 單波束側(cè)掃示意圖

其中λ，L分別為波長(zhǎng)和陣長(zhǎng)。R為距離向探測(cè)距離。

2.2 多波束側(cè)掃聲納

通過改變聲納接收基陣的陣長(zhǎng)使得接收波束的形狀變?yōu)榉侄蔚钠唇訝頪5]，在方位向形成多個(gè)平行的接收波束，如圖2所示一共將接收波束在距離向上分成了三段。

圖2 多波束側(cè)掃示意圖

多波束側(cè)掃將比單波束側(cè)掃在近程擁有更大的掃測(cè)區(qū)域。在第一個(gè)距離區(qū)間內(nèi)，將四個(gè)波束拼接；在第二個(gè)距離區(qū)間內(nèi)，將兩個(gè)波束拼接。理想情況下，該多波束在掃測(cè)的80m距離范圍內(nèi)，能有效地防止近程和高速掃測(cè)時(shí)目標(biāo)遺漏。

2.3 多波束側(cè)掃聲納與合成孔徑聲納

如圖3所示，多波束側(cè)掃聲納本質(zhì)上是用真實(shí)孔徑來替代合成孔徑聲納基陣的勻速直線運(yùn)動(dòng)[6]。

圖3 合成孔徑陣列幾何關(guān)系

合成孔徑尺寸Ls，方位向線分辨率ρc分別為

其中λ，D分別為波長(zhǎng)和發(fā)射陣尺寸，R為距離向探測(cè)距離。由于多波束側(cè)掃聲納波長(zhǎng)很短，合成孔徑長(zhǎng)度小于陣長(zhǎng)。由于不同距離所需的合成孔徑長(zhǎng)度是不同的，近距離時(shí)沿軌方向完整合成孔徑長(zhǎng)度的區(qū)間大，隨距離增加，這個(gè)區(qū)間逐步縮小，遠(yuǎn)距離時(shí)只有在接收陣中間（假定發(fā)射陣也位于中間）位置的點(diǎn)（圖3中的C點(diǎn)）才是完全孔徑，偏離中心的點(diǎn)都不是完全合成孔徑。

因此多波束側(cè)掃聲納只有近距離中間波束才能得到發(fā)射陣長(zhǎng)一半的方位向線分辨率，旁邊的波束分辨率將下降。

因此合成孔徑聲納設(shè)計(jì)的方法可以指導(dǎo)多波束側(cè)掃聲納的設(shè)計(jì)。

2.4 多波束側(cè)掃聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為陣的設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)[5]，其中陣的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，盡管可以照搬Klein 5000或5900的陣形參數(shù)，但并不知道其設(shè)計(jì)方法。通過合成孔徑知識(shí)可以得出如下的參數(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則：

1）發(fā)射陣長(zhǎng)

發(fā)射陣長(zhǎng)由最近處的方位分辨率給定：

2）接收陣的長(zhǎng)度

總接收陣長(zhǎng)為

3）接收子陣的陣長(zhǎng)

為了滿足空間采樣率要求，子陣陣長(zhǎng)至多等于發(fā)射陣陣長(zhǎng)，此時(shí)相當(dāng)于奈奎斯特采樣率為1倍帶寬（復(fù)采樣），實(shí)際應(yīng)用中略小于發(fā)射陣。

本文以Klein 5900多波束側(cè)掃聲納[7]驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.4.1 相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)

聲納工作頻率f0為600kHz；最大探測(cè)距離Rmax為102m；聲速c為1500m/s；拖曳速度v為6m/s；脈沖重復(fù)周期PRI為0.136s；發(fā)射的信號(hào)形式為L(zhǎng)FM-chirp信號(hào)；信號(hào)帶寬B取18.75kHz；脈沖寬度取16ms。

2.4.2 陣的設(shè)計(jì)

多波束側(cè)掃聲納收發(fā)信號(hào)的方式為一發(fā)多收。根據(jù)波束寬度式（1）及Klein 5900的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出總接收陣長(zhǎng)L為1.8m，陣元個(gè)數(shù)N為18個(gè)，尺寸Dr為0.1m。將發(fā)射陣設(shè)計(jì)在基陣的中心位置，尺寸Dt為0.12m。陣的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 陣的設(shè)計(jì)

3 仿真與結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)好的基陣進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)回波仿真，假設(shè)聲納只接收一個(gè)脈沖信號(hào)且采用“停走?！蹦Ｐ蚚4]，將點(diǎn)目標(biāo)放在波束中心位置，觀察距離向探測(cè)距離R為20m、40m、80m三處點(diǎn)目標(biāo)的回波仿真結(jié)果，再利用距離多普勒（RD）算法[8～11]對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正[12]，得到點(diǎn)目標(biāo)的圖像，最后從點(diǎn)目標(biāo)的方位向剖面圖中得到方位向線分辨率。

3.1 仿真結(jié)果

圖5為探測(cè)距離R=20m處的點(diǎn)目標(biāo)回波圖。

圖5 R=20m處的回波

查看回波矩陣數(shù)據(jù)可知道接收到回波信號(hào)的子陣個(gè)數(shù)。再對(duì)R為40m、80m的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真，接收到回波的子陣個(gè)數(shù)如表1所示。

表1 不同探測(cè)距離時(shí)接收到回波的子陣個(gè)數(shù)

利用RD算法補(bǔ)償波前彎曲得到R=20m處的點(diǎn)目標(biāo)圖像及其方位向剖面圖，如圖6、7所示。

圖6 補(bǔ)償波前彎曲后的R=20m處點(diǎn)目標(biāo)圖像

圖7 R=20m處的點(diǎn)目標(biāo)方位向剖面圖

量取圖6中圖像在-3dB處的主瓣寬度[3]，該寬度對(duì)應(yīng)R=20m處的方位向線分辨率ρ=0.07m。

同樣用RD算法對(duì)R為40m、80m的點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同探測(cè)距離處的方位向線分辨率。

3.2 仿真結(jié)果分析

表1的結(jié)果表明，當(dāng)探測(cè)距離R不同時(shí)，接收到回波信號(hào)的子陣個(gè)數(shù)不同，接收總陣長(zhǎng)也不同。多波束側(cè)掃聲納的接收總陣長(zhǎng)對(duì)應(yīng)合成孔徑長(zhǎng)度，由于不同距離所需的合成孔徑長(zhǎng)度是不同的，結(jié)果應(yīng)證了多波束側(cè)掃聲納是用真實(shí)孔徑替代合成孔徑聲納的合成孔徑這一本質(zhì)。

表2的結(jié)果表明，不同距離處的方位向線分辨率都為8cm，符合合成孔徑成像的理論，線分辨率沒有達(dá)到發(fā)射陣長(zhǎng)的一半6cm是由于空間采樣率不高。

表2 不同探測(cè)距離處的方位向線分辨率

圖7為補(bǔ)償波前彎曲后的點(diǎn)目標(biāo)圖，證明了合成孔徑成像算法對(duì)多波束側(cè)掃聲納成像的有效性，在RD成像算法的基礎(chǔ)上修改后得到多波束側(cè)掃聲納逐線成像算法。點(diǎn)目標(biāo)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和算法的有效性。

4 結(jié)語

多波束側(cè)掃聲納本質(zhì)上是利用真實(shí)孔徑實(shí)現(xiàn)合成孔徑，可以用合成孔徑相關(guān)理論指導(dǎo)其設(shè)計(jì)，且可以用合成孔徑成像算法實(shí)現(xiàn)其成像算法，且性能更優(yōu)。