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(guó)家海洋局南海分局，廣東 廣州 510300；2.國(guó)家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300）

海洋開發(fā)管理、水下物體探測(cè)、科研調(diào)查、軍事活動(dòng)都需要高效清晰的水下觀測(cè)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(wú)論光波或電磁波的衰減都遠(yuǎn)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(jìn)行水中目標(biāo)物體成像、探測(cè)、識(shí)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(cè)、海洋權(quán)益維護(hù)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(jìn)、應(yīng)用最為廣泛的水下探測(cè)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(dá)的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)用小尺寸聲納基陣和低工作頻率滿足不同探測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)[1]。

目前,合成孔徑聲納是國(guó)內(nèi)外海洋聲學(xué)成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。合成孔徑聲納的研究始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)Raython公司開始進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jì)80年代末，隨著合成孔徑成像雷達(dá)的研制成功和廣泛應(yīng)用，通過借鑒合成孔徑雷達(dá)的技術(shù)成果，推動(dòng)了合成孔徑聲納技術(shù)的飛躍發(fā)展；到了20世紀(jì)90年代，合成孔徑聲納的研究受到歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)時(shí)期先后研制出了樣機(jī)和成熟的產(chǎn)品投入市場(chǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，歐美大國(guó)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(guó)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）的支持下，從20世紀(jì)90年代末開始啟動(dòng)合成孔徑聲納的研制工作。國(guó)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(guó)在合成孔徑聲納理論及關(guān)鍵技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展和較大突破，已經(jīng)研制出了合成孔徑聲納樣機(jī)，并完成了一系列試驗(yàn)，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(diǎn)和關(guān)鍵。本研究借鑒合成孔徑雷達(dá)的成像處理技術(shù)和相關(guān)算法，通過對(duì)海上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的合成孔徑聲納原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用合成孔徑聲納系統(tǒng)進(jìn)行水下高分辨率成像。該成像處理技術(shù)可以為我國(guó)在合成孔徑聲納的研制和應(yīng)用方面提供實(shí)踐參考。

1 SHADOWS合成孔徑聲納數(shù)據(jù)格式

1.1 SHADOWS性能簡(jiǎn)介

SHADOWS是法國(guó)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(yùn)動(dòng)來虛擬大孔徑聲納基陣，以實(shí)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(biāo)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(shí)時(shí)恒定15 cm，后處理后理論上可達(dá)5 cm；發(fā)射通道每側(cè)3個(gè)；接收通道每側(cè)24個(gè)；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(guó)家海洋局引進(jìn)了國(guó)內(nèi)第一套SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(gè)文件內(nèi)存儲(chǔ)多種不同的數(shù)據(jù)源信息。因此，可以用來存儲(chǔ)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(cè)深數(shù)據(jù)及遙測(cè)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(kuò)展和處理。

XTF文件由許多數(shù)據(jù)包組成，每個(gè)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(gè)頭部說明和CHANINFO結(jié)構(gòu)組成，整個(gè)形成一個(gè)XTF文件頭的結(jié)構(gòu)。目前常用的XTF數(shù)據(jù)文件有測(cè)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(gè)記錄的長(zhǎng)度均為8 192字節(jié)。每個(gè)文件都包括不同的數(shù)據(jù)包，根據(jù)文件頭的標(biāo)識(shí)信息來識(shí)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(diǎn)，也是當(dāng)今聲納成像算法研究的難點(diǎn)。合成孔徑聲納利用對(duì)目標(biāo)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(hào)的聚焦方法，從而形成等效的大孔徑，實(shí)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(hào)；一維是時(shí)間采樣信號(hào)。圖像成像過程是聲納根據(jù)回波信號(hào)解算出聲納圖像的過程，相應(yīng)的計(jì)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(biāo)到基陣平臺(tái)勻速直線運(yùn)動(dòng)軌跡的距離；y0是目標(biāo)在基陣平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的位置；(r0,y0)是目標(biāo)在像平面上的坐標(biāo)；sj(t,yj)是基陣在位置yj處收到的目標(biāo)回波信號(hào)；τj是目標(biāo)的時(shí)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(shí)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(shí)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(jiǎn)單、物理意義清晰、對(duì)視斜視兼容性好等特點(diǎn)，是理論上“最精確”的算法[6]。同時(shí)在算法實(shí)現(xiàn)方面，它還具有坐標(biāo)系選取靈活、并行實(shí)時(shí)處理、任務(wù)分配方便、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)償直接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此目前多波束合成孔徑聲納成像算法大多采用逐線時(shí)域成像算法。這方面研究現(xiàn)在已經(jīng)取得了一定進(jìn)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(dá)的成像處理。

2.2 FFBP算法

FFBP成像算法本質(zhì)上是一種計(jì)算量和計(jì)算精度折衷的算法，在降低計(jì)算量的同時(shí)引入聲學(xué)誤差。FFBP算法是在極坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算的，通過因式分解，將全孔徑分解到極短的孔徑長(zhǎng)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(gè)完整的FFBP算法由孔徑合并和圖像分裂兩個(gè)部分組成，而且算法是迭代實(shí)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(jì)算量。由于其具有時(shí)域成像算法靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用于實(shí)時(shí)合成孔徑聲納的信號(hào)處理，可以通過普通的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，大大降低信號(hào)處理系統(tǒng)的成本和難度，提高了設(shè)備的通用性。同時(shí)，F(xiàn)FBP成像算法采用的孔徑合并是迭代進(jìn)行的，這種迭代計(jì)算的中間結(jié)果也可用來計(jì)算聲納基陣的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)誤差；這樣就使得采用FFBP算法在迭代中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)償變得更簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量也會(huì)更高；在能夠獲得基陣平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)干擾的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)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(biāo)系中,假設(shè)極線與坐標(biāo)軸Y 的夾角為θ，合并后孔徑中心(yc,0)，n 個(gè)孔徑合并的過程可以描述為式（2）：

同時(shí)，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(huì)越來越小，這個(gè)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(jì)算得到。

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

SHADOWS合成孔徑聲納采用船尾拖曳航行的方式進(jìn)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(shí)受到水流和拖曳船只的影響，會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)誤差，從而造成圖像散焦，因此必須進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)處理和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)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(shí)例

3.1 海上實(shí)測(cè)

本次測(cè)試的海域水深100 m左右，根據(jù)以往的調(diào)查項(xiàng)目資料，該區(qū)域海底存在一條管線。測(cè)試當(dāng)天，海況2級(jí)，風(fēng)力3級(jí)，浪高1 m，海況對(duì)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(jìn)行成像處理。作業(yè)船只為中國(guó)海監(jiān)1 500 t級(jí)執(zhí)法調(diào)查船。

在已知管線垂直方向布設(shè)5條測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)1 500 m，間距300 m；平行已知管線方向布設(shè)1條測(cè)線，測(cè)線距離管線150 m，如圖6所示；以5 kn速度勻速跑完測(cè)線，記錄數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)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(duì)采集到的XTF格式原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理并成像；然后對(duì)比兩種處理方法測(cè)量到的管線圖像，分析其精度、分辨率和處理時(shí)間等差異。

圖6 管線測(cè)試航跡示意圖

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)經(jīng)過FFBP算法處理后的信號(hào)（上）和實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)（下）進(jìn)行分析對(duì)比，從圖7可以明顯的看出，經(jīng)過FFBP算法處理后的信號(hào)，要比實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)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(hào)和實(shí)時(shí)信號(hào)對(duì)比截圖

對(duì)經(jīng)過FFBP算法處理后的圖像（左）和采集時(shí)實(shí)時(shí)顯示的圖像（右）進(jìn)行分析對(duì)比，從圖8可以明顯的看出，F(xiàn)FBP算法的圖像結(jié)果與實(shí)時(shí)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(xì)節(jié)。但經(jīng)過FFBP算法處理后的圖像，要比采集時(shí)實(shí)時(shí)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(shí)間更長(zhǎng)，大約是實(shí)時(shí)顯示圖像所需時(shí)間的3倍左右。

圖8 處理后的圖像和實(shí)時(shí)圖像對(duì)比截圖

4 總結(jié)與建議

4.1 總結(jié)

相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室理論仿真實(shí)驗(yàn)，本次海上實(shí)測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集合成孔徑聲納的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)的格式進(jìn)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(jìn)行成像后處理，對(duì)合成孔徑聲納的整個(gè)成像過程，通過理論結(jié)合實(shí)踐的方式，驗(yàn)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(dá)到10 cm以內(nèi)；對(duì)目標(biāo)物定位精度能達(dá)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(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)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(cuò)位的現(xiàn)象。

4.2 建議

由于這是我國(guó)引進(jìn)的第一套SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)，所以實(shí)際工作中該系統(tǒng)的操作經(jīng)驗(yàn)非常重要。經(jīng)過多次的海上測(cè)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(cè)深探頭，可以實(shí)現(xiàn)干涉合成孔徑聲納三維立體成像，從而能夠探測(cè)到懸浮在水中的物體，提高該套系統(tǒng)的探測(cè)能力，但相應(yīng)的三維立體成像處理技術(shù)會(huì)更復(fù)雜，建議以后進(jìn)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(kù)打下基礎(chǔ)，建議今后在這方面進(jìn)行深入的研究，以達(dá)到快速識(shí)別圖像的目的。

[1]牟健，賀惠忠，姜峰.SHADOWS合成孔徑聲納系統(tǒng)及性能測(cè)試[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，Z2：159-163.

[2]錢剛.合成孔徑聲納技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[3]Bucknam JN.SHADOWS Synthetic Aperture Sonar System Operator manual[M].FRANCE：IXSEA，2010：1-10.

[4]武法東，付宗堂，王小牛，等.地理信息系統(tǒng)基本原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[5]PINTOMA.High resolution sea floor imaging with synthetic aperturesonar[J].IEEEOceanic Engineering Society Newsletter，2002，3：15-20.

[6]張春華，劉紀(jì)元.（第二講）合成孔徑聲納成像及其研究進(jìn)展[J].物理，聲納技術(shù)及其應(yīng)用專題，2006，35(5)：408-413.

[7]Lars M H Ulander,Hans Hellsten,G Stenstrom.Synthetic-aperture radar processing using fast factorized back-projection[J].IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems,2003,39(3):760-776.