第46卷第10期 测绘学报 Vol, 46, No, 10 2017年10月 Acta Geodaetica et Cartographica Sinica October 2017 引文格式:李海森,魏波,杜伟东.多波東合成孔径声呐技术研究进展[J.测绘学报,2017,46(10):1760-1769.DOI:10.11947/j.AGCS. 017.20170410 LI Haisen, WEI Bo, DU Weidong. Technical Progress in Research of Multibeam Synthetic Aperture Sonar[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1760-1769.DOl:10.11947/.AGCS2017.20170410 多波束合成孔径声呐技术研究进展 李海森12,魏波12,杜伟东12 工大学水技术重点实验价15026工程大学木工学际东 Technical Progress in Research of multibeam Synthetic Aperture Sonar LI Haisen,, WEI Bo,, DU Weidong I. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001 China: 2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001 China Abstract: Recently, detailed underwater target detection and imaging sonar technology has become a research hotpot with the urgent need of marine research Multibeam synthetic aperture sonar technology has been proposed combining the both technological advantages in this paper, owing to the emphatically analyses of the technology trends of multibeam bathymetric sonar and synthetic aperture sonar. The research progress in the key technologies of multibeam synthetic aperture sonar has been discussed in this paper, the effectiveness of multibeam synthetic aperture sonar detection mechanism is preliminary verified by the experiments. The potential that the multibeam synthetic aperture technique can effectively enhance the underwater target resolution has aslo been proved through the contrast experiment. Key words: MbSAS: target simulation; motion error estimation; technology trends 摘要:随着近年人们对海洋科学研究的迫切需要,水下目标精细探测与成像声呐技术逐步成为囯内外 研究的热点。本文重点分析了国内外主流多波東测深声呐技术与合成孔径技术的发展现状和趋势,并 结合二者技术优势提出了一种多波柬合成孔径声呐探测机理。研究讨论了多波束合成孔径声呐关键技 术的研究进展,通过试验,初步验证了其探测机理的有效性和提升水下目标分辨能力的潜力。 关键词:多波束合成孔径;目标仿真;运动误差估计;技术发展趋势 中图分类号:P22 文献标识码:A 文章编号:1001-1595(2017)10-1760-10 近年来,随着现代水声信号处理技术和水声合成孔径声呐技术等 换能器技术的大幅度进步,水下目标精细探测和 干涉侧扫声呐一般需搭载水下拖体进行工 成像声呐技术已然成为了国内外研究的热点,在作,其设备安装简单、目标横向分辨率较高,可以 民用和军用领域都有着其他声呐不可替代的作借助阴影对目标进行识别判断。但是,由于其 用。在民用方面,成像声呐技术可用于海洋资探测机理制约不容易获得精确海底深度,并且测 源开发、海底地质勘探、海底地形地貌测绘、水下量垂底区域存在缝隙,需要单独的声呐设备或者 物体探测等海洋工程领域;在军事上,高隐蔽性水方法进行补隙η。多波束测深声呐能较精确地 下军事小日标(如军用无人潜器、鱼雷、水雷、蛙人测量出海底深度并获得水体成像( water column) 等)的探测与识别、港口错地和舰艇的安全防范、能得到直观的、精确定位的全覆盖三维海底地形 地形匹配导航等领域上也迫切要求应用高分辨的图,然而多波束测深声呐波束脚印随着深度增 水下目标精细探测和成像声呐技术21。目前国加而扩大,对远距离情况下的目标探测分辨率较 内外已有多种先进的成像声呐技术,主流的主要低,对小目标的探测更为困难。合成孔径声呐 包括干涉侧扫声呐技术、多波束测深声呐技术及( synthetic aperture sonar,SAS)使用小孔径的声
第４６卷 第１０期 测 绘 学 报 Vol．４６,No．１０ ２０１７年１０月 ActaGeodaeticaetCartographicaSinica October,２０１７ 引文格式:李海森,魏波,杜伟东．多波束合成孔径声呐技术研究进展[J]．测绘学报,２０１７,４６(１０):１７６０Ｇ１７６９．DOI:１０．１１９４７/j．AGCS． ２０１７．２０１７０４１０． LIHaisen,WEIBo,DU Weidong．TechnicalProgressinResearchofMultibeamSyntheticApertureSonar[J]．ActaGeodaetica etCartographicaSinica,２０１７,４６(１０):１７６０Ｇ１７６９．DOI:１０．１１９４７/j．AGCS．２０１７．２０１７０４１０． 多波束合成孔径声呐技术研究进展 李海森１,２,魏 波１,２,杜伟东１,２ １．哈尔滨工程大学水声技术重 点 实 验 室,哈 尔 滨 １５０００１;２．哈 尔 滨 工 程 大 学 水 声 工 程 学 院,哈 尔 滨 １５０００１ TechnicalProgressinResearchofMultibeamSyntheticApertureSonar LIHaisen１,２,WEIBo１,２,DU Weidong １,２ １．AcousticScienceandTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin１５０００１,China;２．Collegeof UnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin１５０００１,China Abstract:Recently,detailedunderwatertargetdetectionandimagingsonartechnologyhasbecomea researchhotpotwiththeurgentneedofmarineresearch．Multibeamsyntheticaperturesonartechnologyhas beenproposedcombiningthebothtechnologicaladvantagesinthispaper,owingtotheemphatically analysesofthetechnologytrendsofmultibeam bathymetricsonarandsyntheticaperturesonar．The researchprogressinthekeytechnologiesofmultibeamsyntheticaperturesonarhasbeendiscussedinthis paper,theeffectivenessofmultibeamsyntheticaperturesonardetectionmechanismispreliminaryverified bytheexperiments．Thepotentialthatthemultibeamsyntheticaperturetechniquecaneffectivelyenhance theunderwatertargetresolutionhasaslobeenprovedthroughthecontrastexperiment． Keywords:MbSAS;targetsimulation;motionerrorestimation;technologytrends 摘 要:随着近年人们对海洋科学研究的迫切需要,水下目标精细探测与成像声呐技术逐步成为国内外 研究的热点.本文重点分析了国内外主流多波束测深声呐技术与合成孔径技术的发展现状和趋势,并 结合二者技术优势提出了一种多波束合成孔径声呐探测机理.研究讨论了多波束合成孔径声呐关键技 术的研究进展,通过试验,初步验证了其探测机理的有效性和提升水下目标分辨能力的潜力. 关键词:多波束合成孔径;目标仿真;运动误差估计;技术发展趋势 中图分类号:P２２７ 文献标识码:A 文章编号:１００１Ｇ１５９５(２０１７)１０Ｇ１７６０Ｇ１０ 近年来,随着现代水声信号处理技术和水声 换能器技术的大幅度进步,水下目标精细探测和 成像声呐技术已然成为了国内外研究的热点,在 民用和军用领域都有着其他声呐不可替代的作 用[１].在民用方面,成像声呐技术可用于海洋资 源开发、海底地质勘探、海底地形地貌测绘、水下 物体探测等海洋工程领域;在军事上,高隐蔽性水 下军事小目标(如军用无人潜器、鱼雷、水雷、蛙人 等)的探测与识别、港口锚地和舰艇的安全防范、 地形匹配导航等领域上也迫切要求应用高分辨的 水下目标精细探测和成像声呐技术[２Ｇ４].目前国 内外已有多种先进的成像声呐技术,主流的主要 包括干涉侧扫声呐技术、多波束测深声呐技术及 合成孔径声呐技术等. 干涉侧扫声呐一般需搭载水下拖体进行工 作,其设备安装简单、目标横向分辨率较高,可以 借助阴影对目标进行识别判断[５].但是,由于其 探测机理制约不容易获得精确海底深度,并且测 量垂底区域存在缝隙,需要单独的声呐设备或者 方法进行补隙[６Ｇ７].多波束测深声呐能较精确地 测量出海底深度并获得水体成像(watercolumn), 能得到直观的、精确定位的全覆盖三维海底地形 图[８],然而多波束测深声呐波束脚印随着深度增 加而扩大,对远距离情况下的目标探测分辨率较 低,对小 目 标 的 探 测 更 为 困 难.合 成 孔 径 声 呐 (syntheticaperturesonar,SAS)使用小孔径的声
第10期 李海森,等:多波束合成孔径声呐技术研究进展 1761 呐换能器阵,通过运动形成虚拟大孔径的方法,来束测深技术的主要发展趋势是朝向超宽覆盖、小 获取更高的航迹向分辨率。相比于实孔径声呐,水深测量、运动姿态稳定、精细化测量等方向 SAS最突出的优势是航迹向分辨率与作用距离、发展。 信号的频率无关[。然而,现阶段对于合成孔径1.11超宽覆盖 声呐技术的研究主要集中在侧扫式合成孔径上 限制多波束测深系统覆盖宽度的主要问题在 因此同样存在测深精度不佳和垂底探测缝隙等局于小掠射角情况下,外侧波束回波信噪比较低,波 限性 束展宽严重且容易受到中央波束“隧道效应”干 综上,迫切需要一种水下目标精细探测和成扰,限制了外侧波束回波到达时间检测的有效 像声呐技术以满足对水下小目标探测能力的需性1。针对此问题,国内外研究者主要从换能器 求。为此本文将多波束测深声呐技术与合成孔径基阵阵型设计和信号处理方法两个方面展开 声呐成像技术相结合,在新的发射和接收基阵结研究。 构基础上,提出一种多波束合成孔径声呐 在换能器设计方面,通过阵型设计可以提高 ( multibeam synthetic aperture sonar, MbSAS)机发射换能器外侧角度的发射响应,或者改善接收 理,理论分析和试验皆证明其可以获得与目标作基阵外侧接收灵敏度,使换能器基阵对外侧回波 用距离及发射信号频率无关的航迹向高分辨力,的响应得到改善。也可以通过增加接收基阵阵元 且可以精确测深和垂底区域没有缝隙 数目,减小接收波束宽度,改善外侧波束的测深精 1多波束合成孔径技术研究现状 度[12。在信号处理方面,主要的研究趋势是研 究分辨率更高的算法,提升深度测量精度,主要有 多波東合成孔径技术是一种将多波束测深技3种技术途径:第1种是利用信号子空间类高分 术和合成孔径技术相结合的新型水下目标成像技辨方法代替常规波束形成方法,使系统目标DOA 术,通过载体运动在航迹向上虚拟合成较大的基分辨能力超过瑞利限1,如多重信号特征法 阵孔径,既可以在航迹向上获取较高的分辨率,用子空间旋转法、解卷积类方法以及子空间拟合类 于对地形地貌的全覆盖测量,还可以在距离向上方法等。第2种是利用相位法代替幅度法的波达 通过波東形成确定目标所处方位,最终可以精确时间估计方法,如多子阵幅度-相位联合检测法 地测量出目标的深度信息,对目标进行三维成像。等[1。第3种是基于常规波束形成输出的拟合 多波束合成孔径技术的发展,紧随着多波束测深法算法,如BDI算法等[6。 技术和合成孔径技术的发展趋势,结合二者技术1.1.2小水深测量 优势,实现水下目标的精细探测。 多波束测深系统不但需要对远处日标进行探 1.1多波束测深声呐技术现状与发展趋势 测,同时还需要对小水深情况下的目标进行精细 多波束测深技术是随着现代水声、电子、计算化探测,这就需要对近场环境下的目标回波按照 机、信号处理技术的进步而发展起来的,至今多波球面波假设进行波束形成。虽然近场聚焦波束形 束测深技术的研究已经经历了半个多世纪的发成算法的基本原理比较简单,但其运算过程非常 展,逐渐地形成了各种功能的实用化商业声呐产复杂,实时实现难度较高,浅水多波束实时动态聚 品。声呐系统供应商根据不同测量水深范围发展焦方面的研究是小水深测量的基本技术保障17。 系列化的测深仪器,分为浅水、中水、深水多波束1.1.3运动姿态稳定与补偿 3类;按照搭载常规测量船只、水面无人船、水下 多波束测深系统的载体在航行过程中不可避 AUⅤ等不同设备载体研发抗压性、密闭性不同免地受到风浪的影响,因此对于载体的运动姿态 的换能器基阵,分为船载式、无人式和潜用式;根稳定研究是提高多波束测量精度的另一个热门方 据不同的客户需求研发便携式悬挂基阵、V型组向。载体运动过程中需要通过姿态传感器设备实 合基阵、内嵌式壳体基阵等不同的适装类型,极大时记录载体运动姿态,通过算法进行姿态补偿,从 地拓展了多波束测深系统的应用领域;从探测对而得到高精细度的测量图像。需要通过波束形成 象不同可以分为水面探测、水体探测和水底探测技术控制发射波束和接收波束所对应的波束角 型;按照采用的测深信号处理算法不同又分为幅度,包括接收横摇补偿、发射纵摇补偿、航行艏向 度检测法和相位检测法。概括起来,现阶段多波补偿等技术18
第１０期 李海森,等:多波束合成孔径声呐技术研究进展 呐换能器阵,通过运动形成虚拟大孔径的方法,来 获取更高的航迹向分辨率.相比于实孔径声呐, SAS最突出的优势是航迹向分辨率与作用距离、 信号的频率无关[９].然而,现阶段对于合成孔径 声呐技术的研究主要集中在侧扫式合成孔径上, 因此同样存在测深精度不佳和垂底探测缝隙等局 限性. 综上,迫切需要一种水下目标精细探测和成 像声呐技术以满足对水下小目标探测能力的需 求.为此本文将多波束测深声呐技术与合成孔径 声呐成像技术相结合,在新的发射和接收基阵结 构基 础 上,提 出 一 种 多 波 束 合 成 孔 径 声 呐 (multibeamsyntheticaperturesonar,MbSAS)机 理,理论分析和试验皆证明其可以获得与目标作 用距离及发射信号频率无关的航迹向高分辨力, 且可以精确测深和垂底区域没有缝隙. １ 多波束合成孔径技术研究现状 多波束合成孔径技术是一种将多波束测深技 术和合成孔径技术相结合的新型水下目标成像技 术,通过载体运动在航迹向上虚拟合成较大的基 阵孔径,既可以在航迹向上获取较高的分辨率,用 于对地形地貌的全覆盖测量,还可以在距离向上 通过波束形成确定目标所处方位,最终可以精确 地测量出目标的深度信息,对目标进行三维成像. 多波束合成孔径技术的发展,紧随着多波束测深 技术和合成孔径技术的发展趋势,结合二者技术 优势,实现水下目标的精细探测. １．１ 多波束测深声呐技术现状与发展趋势 多波束测深技术是随着现代水声、电子、计算 机、信号处理技术的进步而发展起来的,至今多波 束测深技术的研究已经经历了半个多世纪的发 展,逐渐地形成了各种功能的实用化商业声呐产 品.声呐系统供应商根据不同测量水深范围发展 系列化的测深仪器,分为浅水、中水、深水多波束 ３类;按照搭载常规测量船只、水面无人船、水下 AUV 等不同设备载体研发抗压性、密闭性不同 的换能器基阵,分为船载式、无人式和潜用式;根 据不同的客户需求研发便携式悬挂基阵、V 型组 合基阵、内嵌式壳体基阵等不同的适装类型,极大 地拓展了多波束测深系统的应用领域;从探测对 象不同可以分为水面探测、水体探测和水底探测 型;按照采用的测深信号处理算法不同又分为幅 度检测法和相位检测法.概括起来,现阶段多波 束测深技术的主要发展趋势是朝向超宽覆盖、小 水深测 量、运 动 姿 态 稳 定、精 细 化 测 量 等 方 向 发展. １．１．１ 超宽覆盖 限制多波束测深系统覆盖宽度的主要问题在 于小掠射角情况下,外侧波束回波信噪比较低,波 束展宽严重且容易受到中央波束“隧道效应”干 扰,限 制 了 外 侧 波 束 回 波 到 达 时 间 检 测 的 有 效 性[１０].针对此问题,国内外研究者主要从换能器 基 阵 阵 型 设 计 和 信 号 处 理 方 法 两 个 方 面 展 开 研究. 在换能器设计方面,通过阵型设计可以提高 发射换能器外侧角度的发射响应,或者改善接收 基阵外侧接收灵敏度,使换能器基阵对外侧回波 的响应得到改善.也可以通过增加接收基阵阵元 数目,减小接收波束宽度,改善外侧波束的测深精 度[１１Ｇ１２].在信号处理方面,主要的研究趋势是研 究分辨率更高的算法,提升深度测量精度,主要有 ３种技术途径:第１种是利用信号子空间类高分 辨方法代替常规波束形成方法,使系统目标 DOA 分辨能力超过瑞利限[１３Ｇ１４],如多重信号特征法、 子空间旋转法、解卷积类方法以及子空间拟合类 方法等.第２种是利用相位法代替幅度法的波达 时间估计方法,如多子阵幅 度Ｇ相 位 联 合 检 测 法 等[１５].第３种是基于常规波束形成输出的拟合 法算法,如 BDI算法等[１６]. １．１．２ 小水深测量 多波束测深系统不但需要对远处目标进行探 测,同时还需要对小水深情况下的目标进行精细 化探测,这就需要对近场环境下的目标回波按照 球面波假设进行波束形成.虽然近场聚焦波束形 成算法的基本原理比较简单,但其运算过程非常 复杂,实时实现难度较高,浅水多波束实时动态聚 焦方面的研究是小水深测量的基本技术保障[１７]. １．１．３ 运动姿态稳定与补偿 多波束测深系统的载体在航行过程中不可避 免地受到风浪的影响,因此对于载体的运动姿态 稳定研究是提高多波束测量精度的另一个热门方 向.载体运动过程中需要通过姿态传感器设备实 时记录载体运动姿态,通过算法进行姿态补偿,从 而得到高精细度的测量图像.需要通过波束形成 技术控制发射波束和接收波束所对应的波束角 度,包括接收横摇补偿、发射纵摇补偿、航行艏向 补偿等技术[１８]. １７６１
1762 October 2017 Vol 46 No, 10 AGCS http://xb.sinomaps.com 1.1.4精细化测量 1.2.2合成孔径成像算法 随着多波束测深技术的不断发展,研究者们 合成孔径成像算法的基本原理就是利用接收 希望通过多波東测深系统得到更为精细的测量结到的回波信号的时延信息求解出目标与收发换能 果,因此研究的方向主要集中于距离向精细测量、器之间的距离,进而推导出目标的所在位置。常 水平向精细测量、航迹向精确测量3个方面。距见的算法有:时域延时求和算法、距离多普勒算 离向的精细度主要取决于系统的采样频率,采样法、 Chirp- Scaling算法、波数域算法等[凹。根据 频率越高则对回波到达时间的估计越精细,同时所使用基阵的阵型推导出各阵元与目标之间的时 LFM信号的匹配滤波技术也能够提升信号的处延差,并提出实用的成像算法是合成孔径技术的 理增益和时间分辨能力。水平向的精细测量主要研究热点 取决于波束密度和波束宽度,更多的波束数目、更123载体运动姿态补偿 小的波束角度能够带来更精细的测绘条带[1。 如果想获得航迹向虚拟大孔径的分辨能力就 航迹向精确测量的局限性在于航速与帧率的制约需要非常准确的航迹向航行轨迹,而实际上载体 以及多波束系统的航迹向波束脚印较宽,目标分航向的偏移等运动误差形式是一直存在的,这种 辨能力不够需要一种新的探测机理有效地提升载体的运动误差会造成图像的散焦,所以在合成 系统的航迹向分辨率。结合了多波束测深技术和孔径技术的研究中运动误差的估计与补偿是其实 合成孔径技术的 MeSAS技术,这种有效的途径用化的最大瓶颈。相位梯度自聚焦算法(PGA) 近年来逐渐受到研究者们的关注 算法利用回波信号相位上存在的冗余度,理论上 1.2合成孔径声呐研究进展 实现对任意误差的校正[。多子阵SAS系统中 合成孔经声呐技术的发展最早可以追溯到可以采用冗余相位中心(DPCA)算法,通过重叠 1967年美国 Raytheon公司的 Walsh等人,他们从目标的相关处理获得相位误差信息。寻找有 1967年到1969年分别发表文章阐述他们把合成效并且价格相对低廉的载体多自由度运动误差估 孔径技术应用到对海底小目标如锚雷等进行高分计和补偿方法是目前合成孔径技术的研究热点 辨成像的研究结果[0。近些年来,合成孔径技术 之 的发展已经由实验室走到了外场,更多的理论验13多波束合成孔径声呐新技术 证样机和海洋试验出现在学术界的视野内[21231 相比于侧扫合成孔径声呐而言多波束合成孔径 目前主流的合成孔径声呐一般采用侧扫式合成孔 孔声呐的研究起步较晚,最先见于文献的是2001年 日本的研究人员在 Seabeam2000多波束测深声 径方法,国内外学者和声呐厂商纷纷推出各自的 呐的基础上使用了合成孔径的算法,得到了很好 研究成果并推向实际应用23。但是这些研究的探测效果。20年美国研究者向美国专利局 都没有很好地解决垂底区域存在缝隙问题,普遍 申请了多波束合成孔径声呐的发明专利申请,在 需要单独使用多波束测深声呐或者成像声呐进行 国际上首次提出了多波束合成孔径声呐的初步设 补隙,数据拼合效果有待提升。现阶段合成孔径 想[31,然而其后,国际上未有该机构研究者利用 声呐的研究热点主要集中在目标回波模拟2、多波束测深声呐进行合成孔径算法深入研究的文 合成孔径成像算法、载体运动姿态补偿等章公开发表 方面m0。 2015年, Kongsberg公司首次利用该公司 1.2.1目标回波仿真 EM2040C浅水多波束测深系统数据,进行合成孔 由于水下目标探测外场试验条件复杂,不可径算法处理,并将结果与多波束测深声呐结果进 控因素多成本高,需要进行大量理论仿真研究,比行对比。对比结果表明,经合成孔径算法处理后 如目标回波模拟以代替部分外场试验,然而目标能够得到更为精细的水下地形图像,该公司将这 回波模拟是一项相当复杂的工作。目前国内外很套系统称为 HISAS2040,这也是国外目前为止 多专业机构已经展开了相关的研究并取得了相应见到的最新利用多波束声呐数据进行合成孔径算 的进展,例如北约水下研究中心的 SIGMAS软件法处理的实例 仿真系统以及新西兰 Cantbury大学开展的掩埋 哈尔滨工程大学通过对侧扫合成孔径声呐的 目标回波研究等 研究后在国内率先提出多波束合成孔径声呐的概
October２０１７Vol．４６No．１０AGCS http:∥xb．sinomaps．com １．１．４ 精细化测量 随着多波束测深技术的不断发展,研究者们 希望通过多波束测深系统得到更为精细的测量结 果,因此研究的方向主要集中于距离向精细测量、 水平向精细测量、航迹向精确测量３个方面.距 离向的精细度主要取决于系统的采样频率,采样 频率越高则对回波到达时间的估计越精细,同时 LFM 信号的匹配滤波技术也能够提升信号的处 理增益和时间分辨能力.水平向的精细测量主要 取决于波束密度和波束宽度,更多的波束数目、更 小的波束 角 度 能 够 带 来 更 精 细 的 测 绘 条 带[１９]. 航迹向精确测量的局限性在于航速与帧率的制约 以及多波束系统的航迹向波束脚印较宽,目标分 辨能力不够,需要一种新的探测机理有效地提升 系统的航迹向分辨率.结合了多波束测深技术和 合成孔径技术的 MbSAS技术,这种有效的途径 近年来逐渐受到研究者们的关注. １．２ 合成孔径声呐研究进展 合成孔经声呐技术的发展最早可以追溯到 １９６７年美国 Raython公司的 Walsh等人,他们从 １９６７年到１９６９年分别发表文章阐述他们把合成 孔径技术应用到对海底小目标如锚雷等进行高分 辨成像的研究结果[２０].近些年来,合成孔径技术 的发展已经由实验室走到了外场,更多的理论验 证样机和海洋试验出现在学术界的视野内[２１Ｇ２３]. 目前主流的合成孔径声呐一般采用侧扫式合成孔 径方法,国内外学者和声呐厂商纷纷推出各自的 研究成果并推向实际应用[２４Ｇ２５].但是这些研究 都没有很好地解决垂底区域存在缝隙问题,普遍 需要单独使用多波束测深声呐或者成像声呐进行 补隙,数据拼合效果有待提升.现阶段合成孔径 声呐的研究热点主要集中在目标回波模拟[２６Ｇ２７]、 合成孔 径 成 像 算 法[２８Ｇ２９]、载 体 运 动 姿 态 补 偿 等 方面[３０]. １．２．１ 目标回波仿真 由于水下目标探测外场试验条件复杂,不可 控因素多成本高,需要进行大量理论仿真研究,比 如目标回波模拟以代替部分外场试验,然而目标 回波模拟是一项相当复杂的工作.目前国内外很 多专业机构已经展开了相关的研究并取得了相应 的进展,例如北约水下研究中心的SIGMAS软件 仿真系统以及新西兰 Cantbury大学开展的掩埋 目标回波研究等[３１]. １．２．２ 合成孔径成像算法 合成孔径成像算法的基本原理就是利用接收 到的回波信号的时延信息求解出目标与收发换能 器之间的距离,进而推导出目标的所在位置.常 见的算法有:时域延时求和算法、距离多普勒算 法、ChirpＧScaling算法、波数域算法等[３２].根据 所使用基阵的阵型推导出各阵元与目标之间的时 延差,并提出实用的成像算法是合成孔径技术的 研究热点. １．２．３ 载体运动姿态补偿 如果想获得航迹向虚拟大孔径的分辨能力就 需要非常准确的航迹向航行轨迹,而实际上载体 航向的偏移等运动误差形式是一直存在的,这种 载体的运动误差会造成图像的散焦,所以在合成 孔径技术的研究中运动误差的估计与补偿是其实 用化的最大瓶颈.相位梯度自聚焦算法(PGA) 算法利用回波信号相位上存在的冗余度,理论上 实现对任意误差的校正[３３].多子阵 SAS系统中 可以采用冗余相位中心(DPCA)算法,通过重叠 目标的相关处理获得相位误差信息[３４].寻找有 效并且价格相对低廉的载体多自由度运动误差估 计和补偿方法是目前合成孔径技术的研究热点 之一. １．３ 多波束合成孔径声呐新技术 相比于侧扫合成孔径声呐而言多波束合成孔径 声呐的研究起步较晚,最先见于文献的是２００１年 日本的研究人员在 SeaBeam２０００多波束测深声 呐的基础上使用了合成孔径的算法,得到了很好 的探测效果.２００２年美国研究者向美国专利局 申请了多波束合成孔径声呐的发明专利申请,在 国际上首次提出了多波束合成孔径声呐的初步设 想[３５],然而其后,国际上未有该机构研究者利用 多波束测深声呐进行合成孔径算法深入研究的文 章公开发表. ２０１５年,Kongsberg 公 司 首 次 利 用 该 公 司 EM２０４０C浅水多波束测深系统数据,进行合成孔 径算法处理,并将结果与多波束测深声呐结果进 行对比.对比结果表明,经合成孔径算法处理后, 能够得到更为精细的水下地形图像,该公司将这 套系统称为 HISAS２０４０,这也是国外目前为止 见到的最新利用多波束声呐数据进行合成孔径算 法处理的实例[３６]. 哈尔滨工程大学通过对侧扫合成孔径声呐的 研究后在国内率先提出多波束合成孔径声呐的概 １７６２
第10期 李海森,等:多波束合成孔径声呐技术研究进展 1763 念,并独立开展了利用现有基于单线阵的国产多径声呐相同航迹向分辨率的前提下有效地提高合 波束测深系统进行试验,证明了多波束合成孔径成孔径声呐的距离向分辨率并完成正下方无缝隙 声呐的可行性,相较于传统多波束测深系统分辨测绘[7-3,成像效果如图1所示。目前正在上述 率具有显著提高,并且能够一次测绘得到全覆盖研究的基础上,开展基于二维面阵的多波束合成 测绘的结果,对目标的深度信息、航迹向坐标信息孔径探测机理研究,期望能够获得更好的航迹向 等有良好的成像效果,可以在保证与侧扫合成孔分辨率和有效的提升系统探测效率。 行走中心位置 一侧 也壁行走方向86 大约50 行走中心位↑ 置距一侧池 壁行走方 605 50 012 2 (a)单线阵多波束合成孔径声呐试验结构图 (b)多波束合成孔径声呐成像效果图 图1单线阵多波束合成孔径声呐成像效果图 ig. 1 Imaging effects of multibeam synthetic aperture sonar based on single uniform linear array 2多波束合成孔径声呐基本原理 声呐接收基 航向 2.1多波束合成孔径声呐基本模型 多波束测深声呐的基阵排布方式一般为接 动轨迹横向 收阵元沿距离向依次直线排布,合成孔径声呐 成像区域 收波束 的收发阵元一般为沿着航迹向直线排列。为了 解决侧扫式合成孔径声呐的不足,笔者融合了 合成孔径声呐和多波束测深声呐的基本模型提 SAS采样过程`目标发射波束 出了一种多波束合成孔径声呐测量模型,能够 图2多波東SAS的基本模型 次性地完成测绘区的全覆盖测绘,不需要额 Fig 2 Basic model of multibeam synthetic aperture sonar 外进行补隙,同时多波束合成孔径声呐能够通 过距离向的波束形成,得到目标回波方向,从而 解算出目标的深度,形成一种三维成像声呐,基22二维多子阵多波束合成孔径声呐阵列 多波束测深声呐多采用Mil'’s交叉的“T”型 本模型如图2所示。多波束合成孔径声呐与多换能器结构,但是当多个目标的斜距相同时,栅瓣 波束测深声呐的最大区别是前者的发射波束沿 会使成像模糊,尤其在对大面积水底地形进行测 航迹向的开角很大,这样在航迹向的不同位置 量时影响显著。在实际的测量中,受到探测机理 波束会多次照射到目标,从而可以通过合成孔 径提高航迹向的分辨能力。 的限制,侧扫式合成孔径声呐测量效率将非常低 在SAS系统中,常采用的方法是在航向使用多个 接收阵列,即多子阵SAS,可以有效地提高测量
第１０期 李海森,等:多波束合成孔径声呐技术研究进展 念,并独立开展了利用现有基于单线阵的国产多 波束测深系统进行试验,证明了多波束合成孔径 声呐的可行性,相较于传统多波束测深系统分辨 率具有显著提高,并且能够一次测绘得到全覆盖 测绘的结果,对目标的深度信息、航迹向坐标信息 等有良好的成像效果,可以在保证与侧扫合成孔 径声呐相同航迹向分辨率的前提下有效地提高合 成孔径声呐的距离向分辨率并完成正下方无缝隙 测绘[３７Ｇ３８],成像效果如图１所示.目前正在上述 研究的基础上,开展基于二维面阵的多波束合成 孔径探测机理研究,期望能够获得更好的航迹向 分辨率和有效的提升系统探测效率. 图１ 单线阵多波束合成孔径声呐成像效果图 Fig．１ Imagingeffectsofmultibeamsyntheticaperturesonarbasedonsingleuniformlineararray ２ 多波束合成孔径声呐基本原理 ２．１ 多波束合成孔径声呐基本模型 多波束测深声呐的基阵排布方式一般为接 收阵元沿 距 离 向 依 次 直 线 排 布,合 成 孔 径 声 呐 的收发阵元一般为沿着航迹向直线排列.为了 解决侧扫 式 合 成 孔 径 声 呐 的 不 足,笔 者 融 合 了 合成孔径声呐和多波束测深声呐的基本模型提 出了一种 多 波 束 合 成 孔 径 声 呐 测 量 模 型,能 够 一次性地 完 成 测 绘 区 的 全 覆 盖 测 绘,不 需 要 额 外进行补 隙,同 时 多 波 束 合 成 孔 径 声 呐 能 够 通 过距离向的波束形成,得到目标回波方向,从而 解算出目标的深度,形成一种三维成像声呐,基 本模型如图２所示.多波束合成孔径声呐与多 波束测深声呐的最大区别是前者的发射波束沿 航迹向的 开 角 很 大,这 样 在 航 迹 向 的 不 同 位 置 波束会多 次 照 射 到 目 标,从 而 可 以 通 过 合 成 孔 径提高航迹向的分辨能力. 图２ 多波束SAS的基本模型 Fig．２ Basicmodelofmultibeamsyntheticaperturesonar ２．２ 二维多子阵多波束合成孔径声呐阵列 多波束测深声呐多采用 Mill’s交叉的“T”型 换能器结构,但是当多个目标的斜距相同时,栅瓣 会使成像模糊,尤其在对大面积水底地形进行测 量时影响显著.在实际的测量中,受到探测机理 的限制,侧扫式合成孔径声呐测量效率将非常低. 在SAS系统中,常采用的方法是在航向使用多个 接收阵列,即多子阵 SAS,可以有效地提高测量 １７６３
1764 October 2017 Vol 46 No 10 AGCS http://xb.sinomaps.com 效率,如图3所示。因此,根据多波束合成孔径的偿,得到质量更高的声呐图像;利用新的探测机 原理和多子阵SAS结构,多波東合成孔径声呐换理,获得更高的目标分辨力。因此,针对多波束合 能器阵型选为平面阵结构,其距离向接收单元能成孔径声呐新机理开展了如下关键技术的研究。 够完成垂直于航行方向剖面内的波束形成,而其3.1合成孔径声呐目标仿真 航迹向接收单元能够保证距离向波束合成处理时 目标回波仿真是多波束合成孔径声呐技术研 的栅瓣抑制[3 究的基础,基于声呐运动模型的目标回波模型仿 真结果对于多波束合成孔径声呐成像算法以及运 发射阵 动补偿算法的研究会有很大的促进作用。目标的 目■ 三维仿真模型包括声呐的运动模型、目标的回波模 型、目标的阴影模型等,利用抗干扰能力较强、距离 分辨力高的线性调频信号进行目标探测研究。 3.1.1声呐的运动模型 多波束合成孔径声呐的基本运动模型如图2 所示,接收基阵为由无指向性的阵元组成的换能 相位中心 器线阵。在工作过程中发射换能器以一定的重复 接收阵 间隔向海底发射脉冲信号,记载体运动方向为y 图33到声接收体在不同时刻这收到的你号的时,对 轴方向,接收线阵所在的横向为x轴方向。计算得 array of MeSaS 于多个目标点可以分别得到各个点的回波,然后将 3多波束合成孔径声呐关键技术 回波进行叠加,即可得到目标信号仿真数据 现阶段多波束测深技术的主要发展趋势是朝3.12目标回波仿真 向小水深测量、运动姿态稳定、精细化测量等方向 假设探测面目标或者体目标时,采用点目标 发展,而合成孔径声呐的研究热点主要集中在目重构法,将目标分解为一个个单独的点目标 标回波模拟、合成孔径成像算法、载体运动姿态补以正方体为例首先对目标体以固定间距进行切 偿等方面。通过对比研究可以发现,二者研究的 线分解,将目标分解成众多小块,然后利用体表面 共同热点方向在于:利用复杂的探测信号形式,得各条切线的交点来构造点目标,完成整个目标分 到更好的回波信噪比和更精确的波达时间分辨 解。将体目标分解为点目标,求出各个点目标的 力;利用更好的聚焦波束形成技术,实现对近距离 回波并进行叠加,可将叠加后的目标回波视为面 目标的精细探测;对载体运动姿态进行有效的补 目标或者体目标的回波,目标模型如图4所示。 ●●··●·●●●●● ●●●●●●●●●●●● (a)方体模型 (b)方体模型切割图 (c)方体模型切割交点图 图4目标模型分解示意图 Fig 4 Target model decomposition 3.1.3阴影区域仿真 阴影,在接收基阵与仿真目标之间进行连线,延长 在声呐基阵沿着航迹向运动时,发射的声波束线与水底相交,目标的着底点与延长线交点所围成 照射到物体,由于物体的遮挡会在物体的后方形成的区域即为声波阴影区,目标模型如图5所示
October２０１７Vol．４６No．１０AGCS http:∥xb．sinomaps．com 效率,如图３所示.因此,根据多波束合成孔径的 原理和多子阵SAS结构,多波束合成孔径声呐换 能器阵型选为平面阵结构,其距离向接收单元能 够完成垂直于航行方向剖面内的波束形成,而其 航迹向接收单元能够保证距离向波束合成处理时 的栅瓣抑制[３９]. 图３ 二维多子阵多波束合成孔径声呐阵列 Fig．３ Structureof２D multiＧsubarraytransducer arrayofMbSAS ３ 多波束合成孔径声呐关键技术 现阶段多波束测深技术的主要发展趋势是朝 向小水深测量、运动姿态稳定、精细化测量等方向 发展,而合成孔径声呐的研究热点主要集中在目 标回波模拟、合成孔径成像算法、载体运动姿态补 偿等方面.通过对比研究可以发现,二者研究的 共同热点方向在于:利用复杂的探测信号形式,得 到更好的回波信噪比和更精确的波达时间分辨 力;利用更好的聚焦波束形成技术,实现对近距离 目标的精细探测;对载体运动姿态进行有效的补 偿,得到质量更高的声呐图像;利用新的探测机 理,获得更高的目标分辨力.因此,针对多波束合 成孔径声呐新机理开展了如下关键技术的研究. ３．１ 合成孔径声呐目标仿真 目标回波仿真是多波束合成孔径声呐技术研 究的基础,基于声呐运动模型的目标回波模型仿 真结果对于多波束合成孔径声呐成像算法以及运 动补偿算法的研究会有很大的促进作用.目标的 三维仿真模型包括声呐的运动模型、目标的回波模 型、目标的阴影模型等,利用抗干扰能力较强、距离 分辨力高的线性调频信号进行目标探测研究. ３．１．１ 声呐的运动模型 多波束合成孔径声呐的基本运动模型如图２ 所示,接收基阵为由无指向性的阵元组成的换能 器线阵.在工作过程中发射换能器以一定的重复 间隔向海底发射脉冲信号,记载体运动方向为y 轴方向,接收线阵所在的横向为x 轴方向.计算得 到声呐接收阵在不同时刻接收到的信号的时延,对 于多个目标点可以分别得到各个点的回波,然后将 回波进行叠加,即可得到目标信号仿真数据. ３．１．２ 目标回波仿真 假设探测面目标或者体目标时,采用点目标 重构法[４０],将目标分解为一个个单独的点目标. 以正方体为例,首先对目标体以固定间距进行切 线分解,将目标分解成众多小块,然后利用体表面 各条切线的交点来构造点目标,完成整个目标分 解.将体目标分解为点目标,求出各个点目标的 回波并进行叠加,可将叠加后的目标回波视为面 目标或者体目标的回波,目标模型如图４所示. 图４ 目标模型分解示意图 Fig．４ Targetmodeldecomposition ３．１．３ 阴影区域仿真 在声呐基阵沿着航迹向运动时,发射的声波束 照射到物体,由于物体的遮挡会在物体的后方形成 阴影,在接收基阵与仿真目标之间进行连线,延长 线与水底相交,目标的着底点与延长线交点所围成 的区域即为声波阴影区,目标模型如图５所示. １７６４