一種高精度水下成像聲吶性能實驗研究

翟京生， 鄒 博， 徐 劍， 高蓀培

(天津大學 海洋科學與技術學院, 天津 300072)

海底地形測繪是海洋觀測中的重要環節，隨著現代海洋觀測的發展，對于海底精細觀測的需求越來越強烈。為了實現高精度海底地形測繪，人們提出了合成孔徑聲吶技術，合成孔徑聲吶的原理源于合成孔徑雷達，其利用小孔徑聲吶設備的小間距運動獲得虛擬大孔徑航向分辨力，成為20世紀90年代以來國際水聲觀測技術研究的熱點之一[1]。由于水聲探測設備發展歷程不同于雷達探測設備的發展歷程，合成孔徑聲吶(以下簡稱側掃SAS)技術中的側掃合成孔徑聲吶技術得到較早的研究發展，但其聲吶模型帶來的正下方測繪死區等問題一直困擾著學界[2-4]。同時，較為常用的多波束測深聲吶的航跡向分辨力受到波束腳印大小的限制，難以對水下小目標進行有效探測。

本文在多波束測深技術和合成孔徑聲吶技術的基礎上，提出多波束SAS的設計思路用以解決上述相關問題[5-11]。

本文在進行多波束SAS實驗的基礎上，應用多波束合成孔徑原理對實驗數據進行處理，得到分置于不同波束的雙空心目標球圖像，并針對此進行分析。通過將成像結果與多波束測深聲吶及側掃SAS的成像結果進行對比，驗證多波束SAS成像理論的有效性和正確性，并在此基礎上分析多波束合成孔徑聲吶的優缺點。

1 聲吶模型及成像原理

多波束SAS的聲吶模型如圖1所示。多波束SAS是通過發射陣和接收陣相對于待測目標區域均勻運動并采集回波信號進行孔徑合成來獲得高分辨力的。其基本原理可描述為：載體在航跡向航行過程中按照一定的脈沖重復發射頻率向海底發射探測信號，利用水平距離向的線列陣接收回波信號。接收到的回波信號經過波束形成處理后，在水平距離向輸出多個具有波束方向指向信息的信號。計算機對每一個方向的波束輸出信號按照航跡向采樣組合，然后進行合成孔徑處理，形成航跡向的高分辨力，與此同時通過波束角度與該波束輸出信號的合成孔徑圖像中的斜距信息的乘法運算，得到該輸出波束內目標區域的深度信息。其成像算法有機的結合了SAS成像算法和多波束測深算法，利用波束形成原理對成像區域進行波束劃分，在每個波束內單獨進行合成孔徑成像。之后利用波束角度信息和斜距信息計算出成像區域的目標點深度信息，對整體成像區域依靠航跡向坐標、波束角度、深度信息三個變量進行圖像繪制。

圖1 聲吶模型圖Fig.1 Sonar model diagram

假設收發陣列波束良好同步，ωt(n)和ωr(n)用ω(n)代替，利用匹配濾波器對散射點的二維回波信號沿垂直航跡向進行壓縮，得到壓縮后的單點二維回波信號為：

式中:r為距離域;χr為航跡向模糊函數，壓縮后回波為單點二維回波在觀測域Ω的積分：

多波束合成孔徑聲吶的成像處理可看作利用空間中不同散射點回波形式的差異，獲得各散射點散射系數在圖像空間的分布。

2 實驗設備及布置

實驗用消聲水池尺寸為25 m×15 m×10 m(長×寬×高)，采用六面消聲的水池結構，四周及底部附有吸聲尖劈橡膠，水面上附有可拆卸的吸聲尖劈橡膠。實驗艙內配備行車可實現基陣3自由度運動，可以通過電子終端設備進行相關控制。其中基陣行車最小行車距離為1 mm，具有勻速運動及停-走-停兩種行進模式。實驗所采用換能器陣列采用組合搭建方式，信號發射部分選用無指向性聲源發射1 ms脈寬、8 kHz帶寬、中心頻率為180 kHz的線性調頻信號，信號接收部分通過帶通采樣，以140 kHz的信號采樣率對原始信號進行處理，由計算機完成后處理數據成像運算。

行車的走停間距為0.005 m，共走停160個航跡向采樣位置，對應的航跡向坐標為-0.4 m～0.395 m，在每個航跡向采樣位置采集10Ping數據，由基陣自身電路進行采集并傳送至計算機系統中進行存儲。目標為家居裝潢用空心不銹鋼球體，其直徑為0.13 m，由重物墜至水中，雙目標球之間使用細鐵絲進行連接(防止目標因為布放時擺動導致的間距過大)。

3 實驗結果分析

實驗結果分析中對實驗數據采用多波束逐點成像算法進行聚焦成像，對積累的160個航跡向采樣點的回波信號等間隔分成79個波束，目標分別位于第60號波束及第63號波束內。實驗的數據處理主要集中在三個部分進行分析，即與多波束測深聲吶的成像對比、與側掃SAS的成像對比以及對于航跡向采樣間隔問題的研究：

(1)與多波束測深聲吶成像對比(見圖2和圖3)。

圖2 多波束SAS 60號(左邊)及63號(右邊)成像Fig.2 MBSAS image of No.60 beam and No.63 beam

圖3 多波束測深成像60號(左邊)及63號(右邊)成像Fig.3 MBES image of No.60 beam and No.63 beam

對比多波束SAS及多波束測深算法的成像結果看出看到，在多波束測深算法的成像中，目標所在的波束內，波束連續照射目標點，所以成像的結果中波束內目標成圓弧式的條狀分布，其最短的掃描斜距的位置為目標所在的具體位置。采用多波束SAS合成成像以后，基陣的孔徑在航跡向得到擴展，能量在空間分布上較為集中，其波束內成像結果能夠有效地反映出目標的具體形狀和位置，更加的形象與直觀。

(2)與側掃SAS成像對比(見圖4～圖6)。

圖4 雙目標側掃SAS成像結果Fig.4 SSSAS imaging results for two target

從圖4中可以看出，側掃SAS的成像結果中主要分成兩個部分即紅色框中的目標回波信息部分和白色框內的雜波信息部分(即不關心的信號回波部分)，對比多波束SAS的雙目標成像信息，不難看出：

(1)多波束SAS和側掃SAS從成像結果上來看都能有效的反映兩個目標的信息。

(2)多波束SAS的成像結果是波束內成像結果，即在完成目標檢測的同時可以得到目標所在的波束角度信息，確定目標的深度值，而側掃SAS的成像結果是平面二維成像，沒有角度信息，不能確定目標的深度值。

(3)波束形成以后波束的能量在空間分布較為集中，對于波束外雜波信號具有抑制的效果。同時由于波束能量的空間分布集中的效果，多波束SAS的主瓣幅值更高，從成像結果中可以看到，多波束SAS的主瓣幅度值相比側掃SAS要高出20 dB(60號波束內目標)和34 dB(63號波束內目標)，更有利于目標的成像和觀測。

圖5 側掃SAS的航跡向-0.02 m采樣位置的成像剖面圖Fig.5 The imaging section for the position of -0.02 m at along-track direction(SSSAS)

圖6 多波束SAS的目標所在波束的成像剖面圖Fig.6 The imaging section for the position of targets(MBSAS)

(3)航跡向采樣間隔問題研究(見圖7～圖11)。

圖7 常規航跡向采樣間隔60號波束內多波束SAS成像結果Fig.7 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (regular sampling interval at along-track direction)

圖8 兩倍常規航跡向采樣間隔60號波束內多波束SAS成像結果Fig.8 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (double sampling interval at along-track direction)

圖9 四倍常規航跡向采樣間隔60號波束內多波束SAS成像結果Fig.9 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (four times the sampling interval at along-track direction)

圖10 60號波束內多波束SAS成像的不同采樣間隔航跡向比較Fig.10 The comparison between processing results of MBSAS with different sampling intervals within No.60 beam(along-track)

圖11 60號波束內多波束SAS成像的不同采樣間隔距離向比較Fig.11 The comparison between processing results of MBSAS with different sampling intervals within No.60 beam(across-track)

從圖7～圖11中可以發現，多波束SAS在采用不同的航跡向采樣間隔以后對于成像是有影響的。分別采用兩倍以及四倍航跡向常規采樣間隔以后，信號主瓣在沿航跡向受到的影響的表現較為顯著，以幅度值的下降為代價產生主瓣沿航跡向的展寬。從能量的角度講，主瓣的展寬增加了一小部分能量，但是不足以抵償因主瓣峰值幅度下降所造成的能量損失，主瓣的能量總體是降低的，在沿距離向受到的影響不明顯。在兩倍以及四倍航跡向常規采樣間隔以后柵瓣電平升高，柵瓣能量總體是增加的。在常規航跡向采樣間隔以及兩倍四倍航跡向采樣間隔的實驗中，能量是總體守恒的，從本質上講航跡向的欠采樣造成了主瓣的能量向兩側柵瓣轉移。綜合以上實驗結果不難分析如下：

(1)多波束SAS在保留常規SAS的航跡向分辨力的同時，可以依靠其自身特有的波束形成算法計算出目標角度信息，進而得到目標的所在波束的深度信息，完成高精度測深工作，這點是優于側掃SAS的。

(2)多波束SAS的空間能量分布更為集中，對于目標所在波束以外的雜波信號具有更強的抑制性。

(3)多波束SAS的實際應用中與側掃SAS一樣同樣受到航跡向采樣間隔的制約，超出常規航跡向采樣間隔以后多波束SAS在距離向上沒有大的影響其主要產生的影響集中在航跡向，沿主瓣幅度值降低產生展寬，能量向兩側柵瓣部分轉移。

4 結 論

本文給出了一次多波束合成孔徑聲吶的水池實驗結果，采用比較分析法同多波束測深聲吶及側掃SAS的成像結果分別進行對比，在確定成像正確的情況下比較分析多波束合成孔徑聲吶的相關特點，驗證了多波束合成孔徑聲吶的有效性和正確性，獲得了令人滿意的處理結果，有助于相關學者更深入的研究。

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