测绘论坛▏合成孔径声纳技术的研究进展及未来
一、合成孔径声纳的产生背景
合成孔径声纳（Synthetic Aperture Sonar, 简称SAS）的原理研究从二十世纪六十年代开始。美国Raytheon公司于1967年提出关于SAS可行性的报告，Walsh于1969年申请了第一个SAS专利。但当时主流观点认为有两个因素使得水下成像不适合合成孔径处理，这种观点在一段时间内对SAS的发展带来了消极影响。第一个因素是水声信道，特别是浅海水声环境条件不理想，同空气中电磁波工作环境相比，是更为“敌意”的媒质，回波信号的相干性能否支持合成孔径处理是个问题。另一个因素是声波传播速度比电磁波慢得多，大大限制了装载SAS的载体的运动速度，进而影响载体的稳定性，并限制了测绘速率的提高。
Williams于1976年、Christoff等人于1982年、Gough和Hayes等人于1989年进行了一系列水声环境实验，结果表明，水声信道的影响并不像预想的那么严重，尽管水声信道是时变的，SAS回波信号在较短时间内仍具有较好的相干性，水声信号的相干性一般能够满足合成孔径成像要求。声传播速度慢导致信号空间采样率低和限制SAS载体运动速度等问题也可以通过多子阵的办法来弥补。
合成孔径成像在雷达（SAR）领域取得的成功，推动了合成孔径声纳技术的发展。由于合成孔径成像的相似性，SAS可借鉴SAR中的技术成果，SAR中的成像算法可用在SAS中。受SAR成功的鼓舞，一些国家自80年代以来进行了较多的水声环境和合成孔径声纳成像试验，并开始研制原理样机。目前国际上已经出现多个SAS实验样机系统。面向商用实用设备也已经出现。
60至70年代发表的少量SAS研究方面的文章，主要是探讨SAS基本原理。八十年代SAS研究方面的文献也较少，主要集中在信号处理方法、水声相干性测量、及SAS原理样机的等方面。进入90年代，SAS研究开始活跃起来，有大量的文章发表。IEEE Oceanic Engineering 1992年第1期出版了SAS专辑，IEE Proceedings-Radar，Sonar and Navigation1996第3期也出版了合成孔径成像专辑，内容涉及SAS系统设计和成像算法等方面。此外，每年的IEEE Conference on Ocean都有SAS文章发表，美国声学会议、欧洲水声会议、欧洲水下防务会议等也常有SAS文章出现。90年代文献中涉及较多的是SAS信号处理、SAS系统设计、SAS实验结果，SAS在猎雷等方面的应用等。水声环境对成像的影响也比70和80年代相干性研究更深化，并有专门的国际会议讨论水声环境对SAS成像质量影响。
二、合成孔径声纳原理、特点、以及应用
侧扫成像声纳方位向高分辨率通过换能器大的方位向孔径取得的，合成孔径声纳也工作在侧扫方式下，但它是通过小的孔径及其运动形成等效大孔径。合成孔径声纳具有如下特点：
①分辨率高且与距离无关，因而可以对远距离目标高分辨率成像；
②可以工作在低频频率上，因而具有一定的穿透性，适合海底地质勘探；
③点目标信噪比有较大改善，适合于漫散射背景下点目标检测，故适合于混响背景下水雷探测，尤其是沉底雷的探测；
④分辨率相等条件下，测绘速率一般高于侧扫声纳。
正是因为上述特点，SAS课题研究成果对军事和经济具有重要意义。在民用领域，该技术可用于海底测绘、水下物体搜寻等，尤其是可以进行高分辨海底地形地貌测绘，特别是分辨率要求较高，作用距离较远的场合，采用合成孔径声纳更合适。在军事领域，该技术可用于沉底、掩埋和悬浮水雷或其它水中危险物体等水下军事目标的探测和识别，在未来的海洋军事对抗中，水雷在封锁特定海域、对抗舰艇等方面有重要作用，因而水雷的探测、识别十分重要。该技术是具有很好应用前景的海洋高新技术。
三、合成孔径声纳技术发展现状
⒈ 国外发展状况
90年代以来，澳洲、欧洲、北美国家先后研制出SAS实验样机，并且性能在不断提高。一些SAS系统的作用距离从原来的几十米、几百米到十几公里，甚至更远；分辨率也从米、分米到厘米量级。
新西兰CANTERBURY大学Perter Gough领导的课题组于1993年推出的KIWI SAS是较早的合成孔径声纳海试样机系统。
欧州（法国、英国、丹麦、希腊等国）联合研制项目MAST于1990年开始启动SAS系统的研究（ACID项目），并在后来的MAST资助下，研制出SAMI SAS海试样机系统，SAMI SAS于1995～1996年进行了海上试验，获得了较远距离上的大面积范围海底测绘图。这是第一个实时SAS成像系统(分辨率1m，中心频率8KHz，测绘效率750m2/s,脉冲重复周期0.69s，拖曳速度3节)。欧洲民用方面的SAS研究，侧重性能价格比方面的提高，在适中的分辨率下追求实时性和高测绘效率，以便在民用领域开拓市场。法国的新型合成孔径声纳IMBAT3000是商用型的，主要用于水下地形地貌勘测和石油开采。该系统有条带（分辨率1m、中心频率3.5kHz、测绘效率7km2/小时、拖曳速度2节）和干涉（0.5m、中心频率45kHz、拖曳速度4节）两种工作方式。
美国在该领域投资很大，研究成果也处于领先地位。美国Northrop Grumman公司为美国海军水面战中心研制了用于探测沉底水雷的合成孔径声纳，其原型系统分别于1996年8月和1997年1月进行了海上试验。海试结果在40m远处获得了接近187.5px的分辨率。美国雷声公司和DTI公司从1994年起合作研制了两型合成孔径声纳系统DARPA和CEROS，分别用于探测水雷和近水域埋藏的爆炸物。DARPA在600m距离上，方位分辨率达500px。美国DTI公司最新推出分辨率250px的PROSAS系统，是一个商用产品，可以安装在AUV或ROV上。
此外，日本、荷兰、挪威、俄国等也有SAS系统研制的报道。
⒉ 合成孔径声纳系统国内发展情况
中科院声学所与中船重工715所在863计划课题支持下，于1997年开始进行合成孔径声纳湖试样机的研制工作。在突破了一系列关键技术后，研制出能实时成像的SAS湖试样机。该样机在千岛湖进行了多次水下成像实验，分辨率达500px。湖试样机的研制成功，将我国合成孔径声纳技术研究，推入与国际同步发展的轨道。“十五”期间，在863海洋监测技术主题和科学院知识创新工程的支持下，我国正开展SAS海试样机系统的研制工作。
经过多年合成孔径声纳理论与技术的研究与积累，我们在系统总体设计、成像算法、成像实验等各方面形成了有自己特色、有独立知识产权的一些信号处理和系统设计方法。
⑴合成孔径声纳总体技术及系统研制
结合不同的SAS运动平台、不同的发射频率，我们进行了多个SAS系统的研制、系统集成及外场试验。
中科院声学所与中船重工715所研制的20KHz发射频率的湖试和海试两个SAS系统，由声纳电子系统、拖曳系统、运动及姿态监测系统三大分系统组成构成。其主要特点是采用零浮力拖体、采用信号处理机实时成像并瀑布式显示。零浮力拖体的优点是运动平稳，与足够长的零浮力拖缆一起使用减振效果好，因而可以大大衰减拖船运动不平稳产生的影响。湖试样机系统的拖体、成像目标照片以及成像结果下图所示。
声学所研制的50KHzSAS系统也采用零浮力拖体，但是图像重建采用后处理方式，系统构成和信号处理方式大为简化。
声学所研制的中心频率7KHz的简易SAS系统，图像重建采用后处理方式，而且声纳基阵安装在船的舷侧，使得系统构成更为简化。下图为该系统对掩埋目标的合成孔径成像结果。
⑵信号处理方法及实时实现
在跟踪国际最新发展的基础上，中科院声学所在高效多子阵成像算法的实现方面进行了探索：将单接收阵ωk算法改进进行，实现了多子阵ωk算法；借鉴CT成像中的后向投影快速算法，实现了快速逐点成像延时相加算法。
针对实时信号处理要求，中科院声学所实现了一种基于延时表的逐点成像算法，大大提高了运算速度，并使得多DSP系统集成的成本大大降低（该方法已经申报发明专利）。在运动补偿方面和自聚焦算法方面，也提出了一些创新性方法。
⑶宽带声纳基阵
声纳基阵应具有足够带宽，以便确保成像具有足够高的距离分辨率。当中心频率较低时，基阵相对带宽一般较大，增加了研制难度。目前通常采用匹配层等技术实现宽带声纳基阵。下图中左图为715所研制的中心频率20KHz、带宽为10KHz的声纳发射基阵，下图右图为612厂研制的中心频率7KHz、带宽为4KHz的声纳发射基阵。
四、合成孔径声纳技术发展趋势
对新技术的发展趋势做全面准确的预测是困难的，现仅就SAS技术中当前和未来需要解决和深入研究的一些问题进行探讨。
⒈ SAS信号处理方法
⑴高效多子阵算法
SAS图像重建是在SAR成像的基础上发展起来的，因此SAR成像中的“二维移变滤波器匹配”方法（相当于逐点延时相加法）、RD（Range Doppler），CS（Chirp Scaling）和ωk（Range Migration）等都可以用在SAS成像中。但宽频带和宽波束是SAS成像系统的特点，因此，延时相加法和ωk这两种较为精确模型在SAS成像系统中最常用。对于多子阵SAS系统，延时相加法是最为成熟精确的算法，但延时相加法的运算效率很低。探索高效算法用于实时成像系统，是SAS技术应用中面临的课题。
⑵运动补偿与自聚焦
合成孔径图像重建中，运动状态的不理想会造成图像散焦。正如有关文献所说：“In SAR，Motion is the solution and the problem”。运动误差的抑制一直是SAS和SAR研究的焦点问题和关键技术。除选用高稳定度载体外，运动补偿（motion compensation）是消除或抑制运动误差的主要方法。合成孔径成像运动补偿是用惯导系统或其它测量系统（或组合测量系统）进行测量运动，然后修正回波数据。另一种方法是自动聚焦，利用回波数据的信息冗余或相关信息，来抑制运动误差的影响。
利用DPC（Displaced Phase Center）方法估计运动误差，是SAS研究的热点问题。目前，DPC方法经初步验证可以用于SAS运动补偿，但宽容性是需要深入研究的问题。Sway误差一般估计较好，但jaw估计较差。另外，不同水底散射特性对运动补偿精度有影响，浅海环境下多途等环境因素也对DPC精度有较大影响。
⑶目标识别及成像后处理研究
大尺度物体（如沉入水底的飞机）和地形地貌等的成像与光图像相近，因而容易解读。但是，对于水下特定小目标的成像及识别，是一个有难度的问题。特别是远距离上低频SAS图像的识别是个难题，需要今后深入的探讨，因为目前SAS图像积累甚少，又缺少相应的侧扫声纳图像作参考。
SAS成像后处理还有图像显示效果增强、图像拼接等也是工程化中需要研究的问题。
⑷结合水声环境因素的SAS信号处理
目前工程应用中采用的信号处理的手段与方法，一般把声纳工作的声场环境假定为理想的自由场。然而海洋声场实际环境，尤其是近海海洋环境，要比理想假设复杂得多。在这种情况下，波形不变法匹配处理、方位向成像算法等的处理效果可能会大大降低。
有关文献认为水声环境的制约是影响SAS成像质量进一步提高的关键因素，开展该方面的研究是十分有意义的，但该方面的研究的特点是高投入、高风险、高回报。
⒉ 以需求为牵引面向不同应用的SAS系统设计
早期的SAS试验系统主要是以拖体做为声纳运动平台。尽管零浮力拖体稳定性好，但国外的SAS一般采用重力拖曳。因为重力拖曳系统实现简单，而且试验时调试、收放等操作相对简便些。除了以拖体方式工作外，SAS系统还可以安装在AUV、ROV等水下设备中，相应的系统总体设计、系统集成等都是需要考虑的问题。随着SAS技术不断发展并达到工程应用阶段，SAS系统的应用场合、试验时施装、调试、维护等便捷性是SAS系统设计需要考虑的问题。
另外，含有多种功能成像系统也可能受到设计者青睐。如兼顾传统侧扫成像和合成孔径成像模式的系统、带有干涉测高功能的SAS系统、条带式和聚束模式可选择的SAS系统等。
■文/张春华 刘纪元，中国科学院声学研究所，来自网络