一种高精度水下成像声呐性能实验研究

翟京生， 邹 博， 徐 剑， 高荪培

(天津大学 海洋科学与技术学院, 天津 300072)

海底地形测绘是海洋观测中的重要环节，随着现代海洋观测的发展，对于海底精细观测的需求越来越强烈。为了实现高精度海底地形测绘，人们提出了合成孔径声呐技术，合成孔径声呐的原理源于合成孔径雷达，其利用小孔径声呐设备的小间距运动获得虚拟大孔径航向分辨力，成为20世纪90年代以来国际水声观测技术研究的热点之一[1]。由于水声探测设备发展历程不同于雷达探测设备的发展历程，合成孔径声呐(以下简称侧扫SAS)技术中的侧扫合成孔径声呐技术得到较早的研究发展，但其声呐模型带来的正下方测绘死区等问题一直困扰着学界[2-4]。同时，较为常用的多波束测深声呐的航迹向分辨力受到波束脚印大小的限制，难以对水下小目标进行有效探测。

本文在多波束测深技术和合成孔径声呐技术的基础上，提出多波束SAS的设计思路用以解决上述相关问题[5-11]。

本文在进行多波束SAS实验的基础上，应用多波束合成孔径原理对实验数据进行处理，得到分置于不同波束的双空心目标球图像，并针对此进行分析。通过将成像结果与多波束测深声呐及侧扫SAS的成像结果进行对比，验证多波束SAS成像理论的有效性和正确性，并在此基础上分析多波束合成孔径声呐的优缺点。

1 声呐模型及成像原理

多波束SAS的声呐模型如图1所示。多波束SAS是通过发射阵和接收阵相对于待测目标区域均匀运动并采集回波信号进行孔径合成来获得高分辨力的。其基本原理可描述为：载体在航迹向航行过程中按照一定的脉冲重复发射频率向海底发射探测信号，利用水平距离向的线列阵接收回波信号。接收到的回波信号经过波束形成处理后，在水平距离向输出多个具有波束方向指向信息的信号。计算机对每一个方向的波束输出信号按照航迹向采样组合，然后进行合成孔径处理，形成航迹向的高分辨力，与此同时通过波束角度与该波束输出信号的合成孔径图像中的斜距信息的乘法运算，得到该输出波束内目标区域的深度信息。其成像算法有机的结合了SAS成像算法和多波束测深算法，利用波束形成原理对成像区域进行波束划分，在每个波束内单独进行合成孔径成像。之后利用波束角度信息和斜距信息计算出成像区域的目标点深度信息，对整体成像区域依靠航迹向坐标、波束角度、深度信息三个变量进行图像绘制。

图1 声呐模型图Fig.1 Sonar model diagram

假设收发阵列波束良好同步，ωt(n)和ωr(n)用ω(n)代替，利用匹配滤波器对散射点的二维回波信号沿垂直航迹向进行压缩，得到压缩后的单点二维回波信号为：

式中:r为距离域;χr为航迹向模糊函数，压缩后回波为单点二维回波在观测域Ω的积分：

多波束合成孔径声呐的成像处理可看作利用空间中不同散射点回波形式的差异，获得各散射点散射系数在图像空间的分布。

2 实验设备及布置

实验用消声水池尺寸为25 m×15 m×10 m(长×宽×高)，采用六面消声的水池结构，四周及底部附有吸声尖劈橡胶，水面上附有可拆卸的吸声尖劈橡胶。实验舱内配备行车可实现基阵3自由度运动，可以通过电子终端设备进行相关控制。其中基阵行车最小行车距离为1 mm，具有匀速运动及停-走-停两种行进模式。实验所采用换能器阵列采用组合搭建方式，信号发射部分选用无指向性声源发射1 ms脉宽、8 kHz带宽、中心频率为180 kHz的线性调频信号，信号接收部分通过带通采样，以140 kHz的信号采样率对原始信号进行处理，由计算机完成后处理数据成像运算。

行车的走停间距为0.005 m，共走停160个航迹向采样位置，对应的航迹向坐标为-0.4 m～0.395 m，在每个航迹向采样位置采集10Ping数据，由基阵自身电路进行采集并传送至计算机系统中进行存储。目标为家居装潢用空心不锈钢球体，其直径为0.13 m，由重物坠至水中，双目标球之间使用细铁丝进行连接(防止目标因为布放时摆动导致的间距过大)。

3 实验结果分析

实验结果分析中对实验数据采用多波束逐点成像算法进行聚焦成像，对积累的160个航迹向采样点的回波信号等间隔分成79个波束，目标分别位于第60号波束及第63号波束内。实验的数据处理主要集中在三个部分进行分析，即与多波束测深声呐的成像对比、与侧扫SAS的成像对比以及对于航迹向采样间隔问题的研究：

(1)与多波束测深声呐成像对比(见图2和图3)。

图2 多波束SAS 60号(左边)及63号(右边)成像Fig.2 MBSAS image of No.60 beam and No.63 beam

图3 多波束测深成像60号(左边)及63号(右边)成像Fig.3 MBES image of No.60 beam and No.63 beam

对比多波束SAS及多波束测深算法的成像结果看出看到，在多波束测深算法的成像中，目标所在的波束内，波束连续照射目标点，所以成像的结果中波束内目标成圆弧式的条状分布，其最短的扫描斜距的位置为目标所在的具体位置。采用多波束SAS合成成像以后，基阵的孔径在航迹向得到扩展，能量在空间分布上较为集中，其波束内成像结果能够有效地反映出目标的具体形状和位置，更加的形象与直观。

(2)与侧扫SAS成像对比(见图4～图6)。

图4 双目标侧扫SAS成像结果Fig.4 SSSAS imaging results for two target

从图4中可以看出，侧扫SAS的成像结果中主要分成两个部分即红色框中的目标回波信息部分和白色框内的杂波信息部分(即不关心的信号回波部分)，对比多波束SAS的双目标成像信息，不难看出：

(1)多波束SAS和侧扫SAS从成像结果上来看都能有效的反映两个目标的信息。

(2)多波束SAS的成像结果是波束内成像结果，即在完成目标检测的同时可以得到目标所在的波束角度信息，确定目标的深度值，而侧扫SAS的成像结果是平面二维成像，没有角度信息，不能确定目标的深度值。

(3)波束形成以后波束的能量在空间分布较为集中，对于波束外杂波信号具有抑制的效果。同时由于波束能量的空间分布集中的效果，多波束SAS的主瓣幅值更高，从成像结果中可以看到，多波束SAS的主瓣幅度值相比侧扫SAS要高出20 dB(60号波束内目标)和34 dB(63号波束内目标)，更有利于目标的成像和观测。

图5 侧扫SAS的航迹向-0.02 m采样位置的成像剖面图Fig.5 The imaging section for the position of -0.02 m at along-track direction(SSSAS)

图6 多波束SAS的目标所在波束的成像剖面图Fig.6 The imaging section for the position of targets(MBSAS)

(3)航迹向采样间隔问题研究(见图7～图11)。

图7 常规航迹向采样间隔60号波束内多波束SAS成像结果Fig.7 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (regular sampling interval at along-track direction)

图8 两倍常规航迹向采样间隔60号波束内多波束SAS成像结果Fig.8 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (double sampling interval at along-track direction)

图9 四倍常规航迹向采样间隔60号波束内多波束SAS成像结果Fig.9 The imaging results of MBSAS within No.60 beam (four times the sampling interval at along-track direction)

图10 60号波束内多波束SAS成像的不同采样间隔航迹向比较Fig.10 The comparison between processing results of MBSAS with different sampling intervals within No.60 beam(along-track)

图11 60号波束内多波束SAS成像的不同采样间隔距离向比较Fig.11 The comparison between processing results of MBSAS with different sampling intervals within No.60 beam(across-track)

从图7～图11中可以发现，多波束SAS在采用不同的航迹向采样间隔以后对于成像是有影响的。分别采用两倍以及四倍航迹向常规采样间隔以后，信号主瓣在沿航迹向受到的影响的表现较为显著，以幅度值的下降为代价产生主瓣沿航迹向的展宽。从能量的角度讲，主瓣的展宽增加了一小部分能量，但是不足以抵偿因主瓣峰值幅度下降所造成的能量损失，主瓣的能量总体是降低的，在沿距离向受到的影响不明显。在两倍以及四倍航迹向常规采样间隔以后栅瓣电平升高，栅瓣能量总体是增加的。在常规航迹向采样间隔以及两倍四倍航迹向采样间隔的实验中，能量是总体守恒的，从本质上讲航迹向的欠采样造成了主瓣的能量向两侧栅瓣转移。综合以上实验结果不难分析如下：

(1)多波束SAS在保留常规SAS的航迹向分辨力的同时，可以依靠其自身特有的波束形成算法计算出目标角度信息，进而得到目标的所在波束的深度信息，完成高精度测深工作，这点是优于侧扫SAS的。

(2)多波束SAS的空间能量分布更为集中，对于目标所在波束以外的杂波信号具有更强的抑制性。

(3)多波束SAS的实际应用中与侧扫SAS一样同样受到航迹向采样间隔的制约，超出常规航迹向采样间隔以后多波束SAS在距离向上没有大的影响其主要产生的影响集中在航迹向，沿主瓣幅度值降低产生展宽，能量向两侧栅瓣部分转移。

4 结 论

本文给出了一次多波束合成孔径声呐的水池实验结果，采用比较分析法同多波束测深声呐及侧扫SAS的成像结果分别进行对比，在确定成像正确的情况下比较分析多波束合成孔径声呐的相关特点，验证了多波束合成孔径声呐的有效性和正确性，获得了令人满意的处理结果，有助于相关学者更深入的研究。

[ 1 ] 李启虎. 水声信号处理领域新进展[J]. 应用声学, 2012(1): 2-9.

LI Qihu. New advances of underwater acoustic signal processing[J]. Applied Acoustic, 2012(1): 2-9

[ 2 ] 阳凡林. 多波束和侧扫声呐数据融合及其在海底底质分类中的应用[D]. 武汉: 武汉大学, 2003: 7-8.

[ 3 ] 王浩成. 双基前视合成孔径雷达成像算法研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2010: 7-8.

[ 4 ] 苏程. 浅水多波束测深侧扫声呐显控系统研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012: 9-10.

[ 5 ] LI H, XU J, ZHOU T. Study of multibeam synthetic aperture sonar line-by-line imaging algorithm[C]. International Conference on Measurement, Information and Control, 2012: 273-277.

[ 6 ] SUN W, ZHOU T, LI H, et al. New experiment study of multi-beam synthetic aperture[C]. Oceans-St. John’s. IEEE, 2014.

[ 7 ] LI Haisen, XU Jian, ZHOU Tian. Underwater acoustic optical imaging system[C]. International Conference on Signal Processing Proceedings. Beijing, China, 2010: 422-425.

[ 8 ] YAO Yonghong, ZHOU Tian, LI Haisen, et al. Research on the dot-by-dot imaging algorithm for multi-beam SAS based on a new array configuration[C]. 10th International Conference on Signal Processing. Beijing, China， 2010: 2369-2372.

[ 9 ] 徐剑, 李海森, 周天. 基于多波束合成孔径声呐的三维场景构建仿真研究[J]. 微计算机信息, 2012(6): 16-18.

XU Jian , LI Haisen, ZHOU Tian. Research on multi-beam synthetic aperture sonar 3-D data simulation[J]. Micro-computer Information, 2012(6): 16-18.

[10] 徐剑, 周天, 李海森,等. 小平台三维成像声呐显示系统实现[J]. 沈阳工业大学学报, 2011(5): 566-569.

XU Jian, ZHOU Tian, LI Haisen, et al. Realization of small platform 3D i maging sonar display system[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2011(5): 566-569.

[11] 姚永红, 周天, 李海森, 等. 基于新型阵列结构的多波束SAS逐点成像算法研究[J]. 电子与信息学报, 2011, 33(4): 838-843.

YAO Yonghong, ZHOU Tian, LI Haisen, et al. Research on the dot-by-dot Imaging algorithm for multi-beam SAS based on a new array configuration[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2011, 33(4): 838-843.