（水声工程专业论文）合成孔径侧扫测深系统有关技术研究.pdf

a bs t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r ( s a s ) t e c h n i q u eu s e sas m a l la r r a ya n dc a l lg e ta 1 1 i 幽r e s o l u t i o nb yd e a l i n gw i t ht h ed a t a ，w h i c ha r ec o l l e c t e dw h e nt h ea r r a y m o v e s s oa1 1 j 曲r e s o l u t i o nm a po ft h es e a b e dc o u l d b e g a i n e d a sa c o n s e q u e n c e ，t h es a sb e c o m e so n eo ft h eh i g h l i g h t si nt h es o n a rf i e l d t h ec o s t o fs o n a rc a nb er e d u c e db yu s i n gt h es a st e c h n i q u e b e s i d e s ，i n s t a l l i n go ft h e s o n a ra r r a yb e c o m e se a s i e r i nt h i s t h e s i s ，t h es y n t h e t i ca p e r t u r et e c h n i q u ei s c o m b i n e dw i t ht h es i d e - s c a ns o n a rb a s e do ns t u d yo fs y n t h e t i c a p e r t u r es o n a r t e c h n i q u e i no t h e rw o r d s ，s e v e r a lk e yt e c h n i q u e so fs y n t h e t i ca p e r t u r es i d e s c a n s y s t e ma r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f o re x a m p l e ，a d a p t i v en o t c hf i l t e ri su s e dt o d e t e c tt h e p h a s e d i f f e r e n c e a n di nt h e p r o c e s s o f s t u d y i n g m o t i o n c o m p e n s a t i o n ，a na v a i l a b l em e t h o d d i s p l a c e dp h a s ec e n t e r ( d p c ) i su s e d i nt h i sp a p e r , t h et a s ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ：s y n t h e t i c a p e r t u r et e c h n i q u ei s s t u d i e d ，i n c l u d i n g i t s h i s t o r y ，b a s i ct h e o r y a n dt h e f u t u r e ；a n dam a pw h i c hc a nr e f l e c ta b i l i t yo ft h es e a b e de c h o i n gs i g n a li s s i m u l a t e db yt h ec o m p u t e ri nt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s i nt h ep r o c e s so f e s t i m a t i n g d e p t ho ft h es e a f l o o rb yu s i n gt h ec o m b i n a t i o no ft h es y n t h e t i c a p e r t u r ea n d s i d e - l o o k i n gs o n a r , t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w os i g n a l si sn e e d e dt ob e d e t e c t e d ，a n da d a p t i v en o t c hf i l t e ri su s e dt od e a lw i t hi t m o t i o nc o m p e n s a t i o ni s av e r yi m p o r t a n tp a r to ft h es a s i no r d e rt os t u d yt h et e c h n i q u e ，d i s p l a c e d p h a s e c e n t e ri sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t hp h a s eg r a d i e n ta l g o r i t h m ( p g a ) i n t h ee n d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n so ft h et h e o r i e sa r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r e ；s i d e s c a nb a t h y m e t e r ；p h a s ed i f f e r e n c ed e t e c t i o n ； m o t i o nc o m p e n s a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：三游天 日期：力口予年3 月2 口日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：互浓恚导师( 签字) ：? 铴瓠 日期：2 ? 年3 月2 口日爹叮年多月炒日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍了合成孔径声呐( s a s ，s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r ) 研究的意 义、发展现状，以及发展趋势，介绍了s a s 研究中的一些关键技术，最后给 出本文的内容安排。 1 1 课题背景 我们赖以生存的地球，其陆地面积只占其表面积的百分之三十，其余都是 浩瀚的海洋。海洋不但对地球的环境有着巨大的影响，而且是一个巨大的资 源宝库。随着现代科学技术的进步与发展，人们对海洋的活动逐渐增多。海 洋已经成为人类活动的主要场所。进入二十世纪九十年代以来，世界各国纷 纷加大了对海洋的投入、开发和利用。开发和利用海洋资源具有非常重大的 意义。二十一世纪被称为海洋的世纪。 海洋开发需要有高效并且准确的水下观察手段。陆地上常用的光波和无 线电波在水中衰减很快，无法实现长距离的传播，而声波却可以在水中传播 很远的距离，因此声波理所当然地成为水下最主要的信息载体。随着人类海 洋活动的日益增多，各种水声技术和设备迅速发展起来。在民用方面，海洋 开发利用的基础是海底探测，它包括海底地质的勘探、海底地形地貌测绘、 水下物体探测等：在军事上，水雷仍然受到高度的重视和使用，而清除水雷 的前提是发现和识别水雷，这就要求进行高分辨的成像，对于声呐的研究则 提出了更高的要求。 第一次世界大战促进了水声技术的迅速发展，声呐已经开始应用于探测 潜艇等方面。旁扫声呐的方位分辨率与其工作频率和换能器基阵的尺寸有关。 为了获得较高的方位分辨率需要采用较高的工作频率或较大的换能器基阵。 但是当信号的频率提高时介质的吸收也将增加，致使声呐的作用距离减小； 当工作于较低的频率时，需要较大的基阵尺寸，这样做一方面增加了成本， 另一方面使基阵的制作和安装变得困难。合成孔径声呐技术可以利用小尺寸 基阵，通过处理声呐载体运动时采集到的数据合成大孔径，获得较高的分辨 率h ，从而避免这些问题，因而成为国际水声高技术研究的热点之一。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将合成孔径技术用于雷达领域的研究开始于五十年代，目的是提高雷达 图像的方位分辨力，现在已经进入实用阶段。合成孔径技术在雷达领域的成 功应用极大地激励了合成孔径声呐的研究热情。合成孑l 径声呐的原理研究从 2 0 世纪6 0 年代开始口1 。但由于水下信道的复杂性，合成孔径声呐技术的工程 实现存在一定的困难。直到2 0 世纪9 0 年代初期，由于计算机技术、通信技 术、传感器技术等方面的飞速发展，s a s 的研究才开始进入了实用化阶段。 侧扫声呐方位向高分辨率是通过换能器大的方位向孔径取得的，合成孔 径声呐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。 分析和实践表明，合成孔径声呐与普通的声呐相比具有突出的优点：( 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呐1 。 在表1 1 中列出了相关的公式和参数，其出处可在有关的文献中找到h 6 1 。 表1 1s a s 的表达式和公式 变量名称表达式公式 声传播速度( m s ) c 载频( h z ) 石 载波波长( m )k = c f o 带宽( h z )b 距离分辨率( m )c | 2 b 孔径长度( m )d 孔径波束宽度( r a d ) 吼= 厶d 目标距离( m ) x o 2 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 合成孔径长度( m )k = x o 岛 方位向分辨率( m )d 2 脉冲发射频率( h z )p r f 载体速度( r n s ) 矿 方位向采样间隔( m )v | p r f 方位向模糊极限( m ) d 2 距离向模糊极限( m ) c 2 p r f 成像宽度极限( m ) c d 4 v 1 2 合成孑l 径声呐国内外研究现状和发展趋势 合成孔径技术最早起源于雷达成像领域，目的是提高雷达图像的方位分 辨力，将它引入声呐领域是从2 0 世纪7 0 年代开始的p 1 。然而，合成孔径技 术在声呐领域的应用远不如在雷达领域成功，虽然经过三十几年的发展，但 仍未进入实用阶段h 1 。这主要是因为水中声波传播速度较低( 相比于电磁波) 、 声呐载体不规则运动及介质起伏等复杂的水下信息传播环境带来的影响。国 内在s a s 研究方面刚刚起步，处于理论探讨与初步的实验系统研制阶段。 1 2 1s a s 发展历程及国内外发展状况 合成孔径理论日臻完善，但合成孔径技术在声呐中的应用还远未成熟。 这一节将从s a s 自身发展的阶段性出发来简要概括s a s 的发展历程及各个 阶段具有代表性的研究成果。 最早提出合成孔径技术可以在水声中应用的是美国r a y t h e o n 公司， r a y t h e o n 公司于1 9 6 7 年提出了关于s a s 可行性的报告，w a l s h 于1 9 6 9 年申 请了第一个s a s 专利。但是2 0 世纪6 0 至7 0 年代s a s 发展缓慢，有技术实 现上的困难，也有对s a s 技术上是否可行的认识问题。在s a s 研究领域， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 有两个主要问题被认为影响了s a s 技术发展。第一个是水声信道问题，水声 环境一般比较恶劣，不同回波信号的相干性是个问题。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。当时 的主流观点认为，水声信道太不稳定，不适合合成孔径处理。另一个问题是 声波传播速度比电磁波慢得多，由于方位模糊问题，使得信号空间采样率较 低，大大限制了s a s 载体的运动速度，进而限制了测绘速率的提高。然而 w i l l i a m s 于1 9 7 6 年的实验、c h r i s t o f f 等人于1 9 8 2 年的实验、g o u g h 和h a y e s 等人于1 9 8 9 年的实验成功表明，水声信道的影响并不像预想的那么严重，尽 管水声信道是随时间变化的，水声回波信号在较短时间内仍具有较好的相干 性，水声信号的相干性能够满足合成孔径处理的要求4 6 叼。 合成孔径声呐与普通侧扫声呐性能的比较是s a s 发展之初很多研究者 的研究重点。其中，c u t r o n a 从信噪比、分辨力、作用距离及测绘率等多个角 度对二者的差别进行了比较，并首次提出了采用多波束s a s 的设想来提高声 呐的测绘速率；h u g h 在比较了2 0 0 k h z 的侧扫声呐与3 k h z 的s a s 之后指出， 在二者具有相同的距离分辨力与方位分辨力的前提下，s a s 比侧扫声呐的测 绘速率提高2 0 0 倍，而作用距离提高1 8 倍；m c k i n n e y 比较了实孔径声呐、 合成孔径声呐与干涉式合成孔径声呐方位分辨力的不同；而l o g g i n s 在比较 了合成孔径雷达( s a r ) 与s a s 的差别，s a s 与常规声呐的差别之后，提出了 采用“v e r n i e r ”阵处理技术提高合成孔径声呐的测绘速率和采用非相干方法 减小合成孔径声呐图像的斑点噪声( s p e c k l en o i s e ) ；b r u c e 对3 0 k h z 的s a s 与s e am a r c l l 侧扫声呐进行了比较，得出了在保持相同测绘速率的前提下 s a s 可以提供更为精细的方位分辨力的结论。宽带处理技术是水声特色之一。 宽带合成孔径处理技术的出现标志着s a s 已经开始脱离s a r 的发展模式， 走上自己的发展道路。d eh e e r i n g 首次提出可以利用宽带低q 发射技术来抑 制由于空间降采样带来的栅瓣影响。z a k h a r i a 提出几种宽带处理方法，认为 宽带合成孔径有许多优点，如可以提高测绘速率，在一定程度上减小运动误 差带来的影响等。b i l l o n 从声呐总体的角度探讨了s a s 系统设计过程中各种 参数的选取及相互之间的制约关系，并指出宽带处理抑制栅瓣的效果并不十 分理想。目前仍有不少研究者对s a s 进行各种类型的仿真研究，如c e l l u z a 的仿真研究中考虑了声速分布、海底混响、表面风浪、多途效应等多种因素 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 对s a s 成像的影响。进一步的理论探讨与计算机仿真研究的继续将推动s a s 技术向更高台阶迈进。 利用实验进行s a s 研究收到各国的普遍重视。一方面可以验证与深化理 论研究的结果，另一方面可为s a s 实时处理系统的研制打下坚实的基础。从 公开文献上发表的各国进行s a s 实验研究的情况可以看出，欧美在s a s 研 究方面居领先地位。 9 0 年代以来，澳洲、欧洲、北美国家先后研制出s a s 实验样机，并且 性能在不断提高。一些s a s 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c a n t e r b u r y 大 学p e t e rg o u g h 领导的课题组于1 9 9 3 年推出的k i w is a s 是较早的合成孔径 声呐海试样机系统。 欧洲( 法国、英国、丹麦、希腊等国) 联合研制项目m a s t 于1 9 9 0 年开 始启动s a s 系统的研究( a c i d 项目) ，并在后来的m a s t 资助下，研制出s a m i s a s 海试样机系统，s a m is a s 于1 9 9 5 1 9 9 6 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s a s 成像系统( 分辨 率1 米，中心频率8 k h z ，测绘效率7 5 0 m 2 s ，脉冲重复周期0 6 9 s ，拖曳速 度3 节) 。欧洲民用方面的s a s 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，以便在民用领域丌拓市场。法国的新 型合成孔径声呐i m b a t 3 0 0 0 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、1 米、中心频率3 5 k h z 、测绘效率7 k m 2 小时、拖曳速度2 节) 和干涉( o 5 米、中心频率4 5 k h z 、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n o r t h r o p g r i l l l l n l a n 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 声呐，其原型系统分别于1 9 9 6 年8 月和1 9 9 7 年1 月进行了海上试验。海试 结果在4 0 米远处获得了接近7 5 厘米的分辨率。美国雷声公司和d t i 公司从 1 9 9 4 年起合作研制了两型合成孔径声呐系统d a r p a 和c e r o s ，分别用于探 测水雷和近水域埋藏的爆炸物。d a r p a 在6 0 0 米距离上，方位分辨率达2 0 厘米。美国d t i 公司最新推出分辨率1 0 c m 的p r o s a s 系统，是一个商用产 品，可以安装在a u v 或r o v 上1 引。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此外，日本、荷兰、挪威、俄国等也有s a s 系统研制的报道。 中科院声学所与中船重工7 1 5 所在8 6 3 计划课题支持下，于1 9 9 7 年开始 进行合成孔径声呐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s a s 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2 0 厘米。湖试样机的研制成功，将我国合成孔径声呐技术研究，推 入与国际同步发展的轨道。在十五8 6 3 海洋监测技术主题和科学院知识创新 工程的支持下，我国f 开展s a s 海试样机系统的研制工作p 删引。 经过多年合成孔径声呐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。 1 2 2s a s 的发展趋势 现就s a s 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。 1 s a s 信号处理方法 ( 1 ) 高效多子阵算法 s a s 图像重建是在s a r 成像的基础上发展起来的，因此s a r 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) 、r d ( r a n g ed o p p l e r ) ， c s ( c h i r ps c a l i n g ) $ 口c o k 等都可以用在s a s 成像中。但宽频带和宽波束是s a s 成像系统的特点，因此，延时相加法和c o k 这两种较为精确模型在s a s 成像 系统中最常用。对于多子阵s a s 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s a s 技 术应用中面临的课题。 ( 2 ) 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。运动误差的 抑制一直是s a s 和s a r 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( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 是消除或抑制运动误差的主要方法。合成孔径 成像运动补偿一是采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。 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 利用d p c ( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e r ) 方法估计运动误差，是s a s 研究的热点 问题。目前，d p c 方法经初步验证可以用于s a s 运动补偿，但宽容性是需要 深入研究的问题。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d p c 精度有较大影响。 ( 3 ) 目标识别及成像后处理研究 大尺度物体( 如沉入水底的船只、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s a s 图像的识别是个难题，需要今后深入的 探讨，因为目前s a s 图像积累甚少，又缺少相应的侧扫声呐图像作参考。s a s 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。 ( 4 ) 结合水声环境因素的s a s 信号处理 目前工程应用中采用的信号处理的手段与方法，一般把声呐工作的声场 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。文献 5 认为水声环境的制约是影n l 自i s a s 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。 2 以需求为牵引面向不同应用f l j f j s a s 系统设计 早期的s a s 试验系统主要是以拖体作为声呐运动平台。尽管零浮力拖体 稳定性好，但国外的s a s 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，s a s 系 统还可以安装在a u v 、r o v 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s a s 技术不断发展并达到工程应用阶段，s a s 系统的应用场合、试验时施装、调试、维护等便捷性是s a s 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s a s 系统、条带式和 聚束模式可选择的s a s 系统等p 叼睁1 。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 总之，s a s 技术仍在发展之中，它不但涉及工程问题，也涉及与之相关 的水声物理问题。普遍认为，距离s a s 的真正实用仍有相当长的一段路程。 1 3 论文的主要内容 合成孔径声呐( s a s ) 无需一个大的阵和高的工作频率就能形成窄波束，得 到与距离和频率无关的较高的方位分辨率p “4 “1 0 h 12 1 。合成孔径技术和测深的结 合，即合成孔径测深旁扫声i j i 勾( s a b a s s ) ，是一个吸引人的方案u 3 l 。 基于以上思想，本文具体的工作安排如下： 1 、测量方案研究。包括声基阵设计与参数的选取，测量船工作方式及 工作参数的选取。合成孔径声呐系统的主要参数有：发射能量、信 号参数( 工作频率、脉冲宽度、脉冲重复频率、发射信号形式) 、声呐 系统参数( 基阵的尺寸、运动速度) 等。其中发射能量和工作频率选取 与水声物理密切相关，其它很多参数均与信号处理的方法密切相关。 2 、自聚焦波束形成。目的是为了获得高分辨的海底图像。运动补偿方 法大致分为两类：一是采用导航设备记录声呐载体各个时刻的运动 状态来对回波数据进行修正，减小运动误差的影响；另一类是从回 波数据中提取载体的运动信息进行运动误差的修正，即自聚焦方法。 大多数s a s 系统都采用这两类方法的结合：用前者修正较大的航迹 偏离，而用后者来进一步减小残余误差的影响。自聚焦是针对运动 补偿的残差设计的波束形成方法，可假定测量平台已经作了运动补 偿。平台的运动补偿方法不必作为研究内容。 3 、合成孔径测深关键技术研究。与普通侧扫声呐相结合的合成孔径测 深系统在测深的过程中利用回波时延测斜距，利用检测两个基阵接 收信号的相位差测回波的角度，从而实现海底采样点的深度测量。 对于相位差的测量本文将采用n o t c h 滤波器。 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 第2 章合成孔径技术的基本原理 2 1 引言 本章将介绍合成孔径技术的基本原理及其应用。 合成孔径技术是一种不需要长的接收阵就可以显著提高方位分辨率的技 术。在孔径合成的过程中，声呐平台承载的换能器一面以匀速直线前进，一 面以固定的重复频率发射并接收信号。然后将回波信号的幅度和相位信息存 储起来并与之前的接收信号进行相干处理，随着换能器的前进将形成等效的 线列阵。这样就可以虚拟成一个很大的等效换能器基阵，并能够产生不依赖 于作用距离和工作频率的方位向高分辨率n 4 1 。这正是合成孔径技术的价值所 在。 2 2 合成孑l 径声呐原理 2 2 1 距离分辨率 经验上，声呐的距离分辨率定义为可以被声呐系统分辨的两点间的距离 向的最小距离。如果由较远点返回的脉冲回波前沿的到达时间迟于较近点返 回的脉冲回波尾沿的到达时间，则在声呐回波的变化过程中可以将两点区分 开来。假设声呐脉宽是t ，两个可分辨点的最小距离为： & = c t 2 ( 2 1 ) 式中c 是水中的声速，加是距离分辨率。 这个定义是经验的，粗糙的。根据伍德沃德建立的模糊函数理论，声呐 距离分辨率由声呐信号带宽b 决定，即： 出= c ( 2 b ) ( 2 2 ) 所以应该采用这样的波形，既有较大的带宽b ，以便能得到较好的距离 分辨率，又具有较大的脉宽t ，以获得较大的平均功率，从而获得较大的声 呐作用距离。 在这个理论的指导下，人们努力寻找这样的波形，它既有较大的带宽b ， 以便能够得到较好的距离分辨率，又具有较大的脉宽t ，以获得较大的平均 功率，从而获得较大的声呐作用距离，同时具有较好的频率分辨率。人们发 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现，若对一宽带信号( 则它的脉宽t 将是很窄的) 各频谱分量附加一个随频率 做非线性变化的相位值，则此宽带信号将具有很大的脉宽以满足前述要求。 这样附加非线性相位的过程称之为信号的展宽过程。将展宽后的信号通过匹 配滤波器，校正非线性相位值使之同相，在匹配滤波器输出端将得到窄脉冲 信号( 信号的自相关函数) ，从而获得较高的分辨率。这个过程称之为脉冲压 缩。最早加以研究并获得使用的脉冲压缩信号就是线性调频信号，线性调频 信号具有平方率的相位频率关系，经过匹配滤波器的压缩，可以输出窄脉冲。 总之，采用脉冲压缩波形，相对于原来的宽脉冲而言，由于通过匹配滤 波器的压缩，大大改善了雷达距离向的分辨率。合成孔径原理和脉冲压缩的 共同性表明：角分辨率的改善与点目标横过天线波束时产生的最大多普勒频 带宽度有关。正如距离分辨率反比于信号频带宽度一样，多普勒带宽越宽， 角分辨率改善越大5 h 1 7 1 。 2 2 2 方位分辨率 方位分辨率是合成孔径声呐优于常规侧扫声呐的主要方面。 合成孔径声呐的方位分辨率可以用合成阵列的原理加以解释。图2 1 给 出了一个匀速直线运动侧扫声呐的平面图。假定声呐发射了n 个脉冲，相当 于n 个阵元的实孔径基阵。假定声呐基阵的尺寸为d ，声呐到目标的垂直距 离为r o ，真实孔径波束宽度，发射信号的波长为兄，那么声呐波束的照射 宽度为1 9 1 ： w ：r o ：r o ) ,( 2 3 ) d 聚焦合成处理后，从图2 1 的几何关系可以看出，点a 相当于用一个尺 寸为2 w 的基阵照射，其对应的横向线分辨力为： 抓= r o 刍= 虿d ( 2 - 4 ) l o 哈尔滨 ：程大学硕+ 学位论文 一一一一一一、 图2 1 合成孔径声呐原理图图2 2 合成孔径声呐平面图 从公式( 2 ，4 ) 中我们可以看到这样一个有趣的事实，基阵尺寸越小，合成 孔径声呐的横向线分辨率就越高，这与传统的声呐正好相反。然而这很容易 解释：声呐基阵的尺寸越小，其波束越宽，物体受到照射的时间就越长，合 成孔径尺寸也越大，其对应的分辨率就越高。但方位分辨率并非可以无限地 提高，可以证明其方位分辨率的极限为： 躯鲁( 2 - 5 ) 这种合成阵列的解释比较容易接受，但从信号处理的角度来看，是不适合 的。这种直观的解释掩盖了一个重要事实：利用多普勒频移的变化率或变化 梯度可以提高横向分辨率。 如图2 2 所示，假定声呐沿x 轴做匀速直线运动，其速度为v 。则声呐的 位移为： x = v t ( 2 6 ) 目标回波的多普勒频率为： 乃：_ 2 vs i n 0( 2 7 ) 当角度0 不大的时候，我们有 s i n o 辔秒= ( 2 8 ) 将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) 式，可得 哈尔溟工程大字坝士学位论文 a = 卺x - - - - 篙， ( 2 - 9 ) 这表明回波是一个脉间线性调频信号。如果我们对这一信号进行脉压处 理就可以得到高的横向线分辨率。由( 2 3 ) 式- i 矢h ，这个线性调频信号的持续 时间为 丁= 等( 2 - 1 0 ) 信号的调频斜率为 t = 等= 等 p = 一= 一 i z 。l lj 。 衍r o 五 、。 由( 2 - 1 0 ) , 1 ：1 ( 2 11 ) 式可得 b c = ( 2 - 1 2 ) 其中b c 为线性调频信号的带宽。 其脉压后的脉冲宽度为：t 。瓦1 。由此可以计算出其对应的横向线分辨 率为1 8 h 捌： 8 r = v t - 兰b c = i d ( 2 - 1 3 ) 该式与( 2 4 ) 式相同。从上述的讨论中我们可以看出，在可以解耦的前提 下，合成孔径声呐的信号处理可以用两维的脉压完成：首先是距离维的脉压， 它是脉内的脉压；然后是方位维的脉压，它是脉间的脉压。这一过程可用二 维离散傅立叶变换完成m m l 。 2 2 3 合成孑l 径与常规等间距直线阵角分辨率的比较 1 、常规等间距直线阵的距离分辨率 距离分辨率定义为空间中能够分辨出的两点之间的最小距离，如图2 - 3 所示，空间中欲能够分辨a 、b 两点，则要求声呐的波束宽度口，口为基 阵法线方向的角分辨率。 对于单个换能器( 一般为陶瓷圆片) 的基阵来说： 口：- 5 1 - 2 ( 2 1 4 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 化为弧度形式为： 口孚( 2 - 1 5 ) 其中，为圆片直径。 a b o 等闷距直线阵 ， 图2 3 直线阵分辨率示意图 2 、合成孔径声呐的分辨率 ( 1 ) 相位与频率之间的关系 如下图所示： 声源接收 v 运动目标 o 4 。 卜_ 一r 一 图2 4 声呐运动目标模型 令发射信号为： 薯= s i n ( 2 7 r f o t ) 则声源与运动目标之间的距离为： r = e o + 1 ，f 其中r 为初始距离，v 为目标的运动速度。 接收信号相对于发射信号有一个时延： 2 足2 风+ 2 v t f = 一= j ：一 cc ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 即接收信号x ，为： 轳s i n l 2 - * o ( r 一半) 痂五一兀守2 万厶孕) p 柳 可见，接收信号的频率与相位均发生了变化，有： 频率：，：兀一l2 v 相位：办= 一2 万五堡 则接收信号与发射信号之间的差频( 多普勒频移) 为： 厶= ，一f o “孚= 一老一等 ( 2 - 2 0 ) 相位差，即接收信号的相移为： 办= _ 2 万f o2 r - - - c 旦。- - 2 n 2 几r 。一( 2 - 2 1 ) ( 2 ) 距离分辨率 如图2 5 所示，假设测量船匀速直线航行，速度为v ，a 、b 两点之间的 距离为d 2 ，b 与测量船的相对速度为： v b = v c o s 0 ( 2 _ 2 2 ) 由式( 2 2 0 ) 得b 点接收信号的频移为： 以：2 v _ c o s 0 ( 2 - 2 3 ) 同理得： 六= 万2 pc 。s ( 0 + a o ) = - 荨( c o s o c o s a o - s i n 舭乡) ( 2 - 2 4 ) 因为a o 很小，故有： 厂。：2 v秒一- - 孕- a o s i n 0 (225)cos 月5 。一 s l np 则a 、b 两点接收信号的差频为： 一 矽：无一以= 2 va 0 s i n 秒 ( 2 - 2 6 ) 1 4 i 竹刀i 浜i j 崔大字坝士字伍化又 由近似公式秒( d 2 ) r ，代入式( 2 - 2 6 ) 得： 矽= 啬s i n 秒( 2 - 2 7 ) 如果矽为最小可检测差频，对比图2 3 可得合成孔径声呐的距离分辨率 为： 欲，：旦：塑墨 ( 2 2 8 ) 22 v s i n 0 、 式( 2 - 2 8 ) 成立的条件是发射信号的持续时间( 脉冲宽度) 丁2 石1 ，代入式 ( 2 2 8 ) 得： 欲7 2 丽r 2 ( 2 - 2 9 ) 注意到在丁时间内，测量船航行的距离l = v t ，故有： 欲，：墨垒 佗3 0 ) l 2 s i n 0 、 显然，三即为合成阵的等效孔径。由式( 2 - 3 0 ) 可得相应的角分辨率为： 乡= 百r t = 志 ( 2 3 1 ) r2 三s i n 目 、 钡0 量船 图2 5 合成孔径声呐分辨率示意图 ( 3 ) 合成孔径与常规等间距直线阵角分辨率的比较 令0 = 9 0 。，法线方向若两者的角分辨率相等( 口= a o ) ，有： 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 兰：三 ( 2 3 2 ) ，2 三 、 即：三：一l 2 也就是说，合成阵的等效孔径只需要常规等间距直线阵阵长的1 2 即可以 获得相同的角分辨率引。 以上的基本原理合成孔径声呐与合成孔径雷达几乎是相同的，但s a s 又 有其新的特点： 1 、运动补偿要求高 由于风浪及船舶操纵性等因素将会造成拖鱼偏离理想直线航迹。这种运 动误差会比传播介质起伏对s a s 图像质量产生的影响大得多。为保证有足够 高的图像质量，航迹至少要在合成孔径长度上保持平直，最大偏移不能超过 旯4 ，甚至见81 1 1 1 9 1 ) 实际上，这是一个极为苛刻的条件，因此高分辨s a s 必 须采取运动补偿措施，减小甚至消除运动误差带来的影响。运动补偿方法大 致可以分为两类：一是采用导航设备记录拖体各个时刻的运动状态来对回波 数据进行修正，消除运动误差的影响；另一类是从记录的回波数据中通过信 号处理的方法提取运动状态的信息来进行运动误差的补偿。由于现有的导航 设备精度难以满足s a s 孔径合成的要求，目前已有的或在研究中的s a s 系 统几乎都采用或拟采用这两类方法的结合：用前者修正较大的航迹偏离，用 后者来减小残余误差的影响。 2 、测距、测速矛盾突出 对于一部高分辨旁扫声呐而言，测绘速度是一个重要的指标。高分辨合 成孔径声呐与普通旁扫声呐的重要区别除其横向分辨力在不同距离上保持恒 定，且与采用的信号频率、工作距离无关外，普通旁扫声呐只受到距离模糊 的限制，而s a s 将受到方位模糊与距离模糊的联合限制。为了保证测距不模 糊，脉冲重复频率应该有删陋1 ： 朋f 瓦c ( 2 - 3 3 ) 同时为了脉间线性调频信号采样率要求脉冲重复频率必须满足： 眦既= 罟( 2 - 3 4 ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这两者往往是矛盾的，进而导致了方位向分辨率与测绘带宽度、平台运动速 度之间的相互制约关系： v r 。竺：c 6 r( 2 3 5 ) 42 在s a s 系统的实际应用中，我们必须根据需要兼顾这几方面的因素。因此， 单阵元s a s 的测绘速度难以提高，同时低速影响平台的稳定性，往往不能满 足实际工作的需要。因而提高测绘速度的方法就成为另一个影响s a s 实用的 关键技术。目前已研究的方法主要是多子阵方案，其硬件复杂程度较为适中， 又具有灵活性，是一种较好的解决s a s 测绘速度问题的方案。 3 、收发共置系统可能存在收发不共点问题 由于拖鱼速度与声速可以比较，当基阵接收到信号的时候，拖鱼已经行 进了一段距离。当测绘带距离较远、拖鱼速度较高时，这种情况尤为明显。 这种情形下信号处理是非常困难的。可能的解决方案是：降低拖鱼的运动速 度、采用“停一走一停”的工作模式。所谓“停一走一停 模式是指发射完 信号后，迅速降低拖鱼的运动速度，待测绘带回波返回后，迅速加速，达到 预定位置，但是控制非常困难。另一种方法是通过精确计算收发时延内基阵 的运动，以实现“停一走一停模式不成立条件下的成像算法b 引。 2 3 合成孑l 径声呐系统构成和参数选取 2 3 1 合成孑l 径声呐的构成 合成孔径声呐基本结构如图2 6 所示，它可以大致分成四大部分：声呐 系统、运动传感器、信号处理器和自动驾驶仪5 1 。 1 7 哈尔滨工挥大学硕士学位论文 图2 6 合成孔径声呐结构图 声呐系统主要由发射机、声基阵和接收机组成。发射机常用的波形是相 参线性调频脉冲串信号，因为这种信号多普勒容限宽，处理方便。所谓的相 参是指各脉冲之间有一定的相位关系，这是实现合成孔径声呐的关键所在。 运动传感器的作用有两个：精确测定声呐载体位置、为自动驾驶仪和收发 系统提供导航数据。由于合成孔径声呐要求载体作匀速直线运动，但实际上 载体受到海流的影响，总会偏离匀速直线运动。如果能精确地测定载体在空 间的位置，那么可以通过运动补偿修正非匀速直线运动。为了使得运动补偿 成为可能，必须尽量使声呐载体做匀速直线运动，这就对自动驾驶仪提出了 较高的要求。 由于航迹方向的运动误差将造成回波信号多普勒信号畸变，这种畸变是 无法通过改变基准信号的方法来校正的。因此必须使脉冲重复频率随航向方 向的速度正比变化。在接收端还必须改变距离门，以完成运动补偿中的距离 补偿。 运动传感器通常采用惯导和捷联惯导。但惯导系统存在漂移，绝对定位 精度无法保证。机载合成孔径声呐是通过g p s 来得到绝对定位精度的，但 g p s 无法在水下工作。而目前可行的解决方法是：利用g p s 对测量船定位， 而测量船利用声呐对拖鱼定位。 信号处理器接收声呐回波信号和运动传感器的导航数据。信号处理器的 主要任务为： 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 、运动补偿：对声呐的非匀速直线运动进行补偿。自动驾驶仪的控制精 度通常是无法满足成像需要的，因为成像要求声呐的位置误差小于见1 6 ，其 中兄为声波的波长，因此运动补偿是合成孔径声呐重要的组成部分。 2 、成像算法：将运动补偿后的信号进行相关处理，得到待成像区域的图 像。这一步是合成孔径信号处理的关键。 3 、自聚焦算法：为了提高图像的质量，需要减小甚至消除剩余的相位误 差。 4 、后续处理：几何标定、散射特性标定、图像增强等。 2 3 2 合成孑l 径声呐系统参数选取 合成孔径声呐系统的主要参数有：发射能量、信号参数( 工作频率、脉冲 宽度、脉冲重复频率、发射信号形式) 、声呐系统参数( 基阵的尺寸、运动速 度等) 。其中发射能量和工作频率选取与水声物理密切相关，其它很多参数均 与信号处理的方法密切相关。 首先讨论工作频率的选取。载频的选取似乎没有一定的规则，因为美国 和欧洲采用了截然不同的频段。美国通常选用高频段，而欧洲一般选用低频 段。但是在选取工作频率时，以下因素是值得考虑的： 1 、受方位分辨率限制，因为方位分辨率与波长有关，其极限为五4 。因 此方位分辨率要达到厘米级的分辨率，无疑必须选用高频段。 2 、受相位稳定性限制。频率低，固然相位时间一空间稳定性好，但合成 孔径的长度大、合成孔径时间长。根据推测，应该存在一个最优频率。使得 在信号合成孔径时间一空间上相位稳定性最好。关于这点必须用大量的水声 实验进行验证。 3 、受平台稳定性限制，因为成像要求运动补偿误差必须小于兄1 6 ，因 此低频段对运动补偿要求要低些。但是平台运动的频率固定时，低频段工作 时，合成孔径时间长，运动误差相对于合成孔径时间来说可能为高频误差。 4 、工作频率的选取与工作性质有关。如果用于海底勘探和测绘，低频段 较为适宜，因为低频声波具有一定的穿透性，能更好地反映地质构造。如果 用于探雷，选用高频段较为适宜，因为空腔对高频声波散射较强。 5 、受基阵高度( 或纵向尺寸) 限制。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学何论文 其它系统参数可以用以下四条准则来确定： 1 、分辨率准则 由声呐距离分辨理论可知，距离分辨率为 p 2 云( 2 - 3 6 ) 其中c 为声速，b 为发射信号的带宽。 理想情况下，合成孔径声呐的横向线分辨率为 肛= 等 ( 2 3 7 ) 其中n 为声呐基阵沿运动方向的物理尺寸( 横向尺寸) 。给定分辨率，就可以 确定发射信号的带宽和基阵的横向尺寸。如前所述，声呐径向分辨率容易提 高，横向分辨率不易提