合成孔徑聲納技術(shù)以及在海底探測中的應(yīng)用研究

楊　敏，宋士林，徐　棟，王小丹

（國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東　青島　266033）

合成孔徑聲納技術(shù)以及在海底探測中的應(yīng)用研究

楊敏，宋士林，徐棟，王小丹

（國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東青島266033）

合成孔徑聲納技術(shù)逐漸成為海底探測領(lǐng)域的熱門研究方向，其在地貌成像、沉底和掩埋小目標(biāo)成像、海底管道探測等方面的應(yīng)用均取得重要進(jìn)展。文中系統(tǒng)闡述了合成孔徑聲納技術(shù)的工作原理和研究現(xiàn)狀，重點介紹了雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納的技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合海底管線探查案例，詳細(xì)分析了該設(shè)備的應(yīng)用情況，并與淺地層剖面儀實際獲取的圖像進(jìn)行了對比，驗證了雙頻合成孔徑聲納在海底探測中的適應(yīng)性和探測能力，最后對該技術(shù)的研究與應(yīng)用方向進(jìn)行了展望。

合成孔徑聲納；海底探測；掩埋目標(biāo)

海洋科學(xué)研究、海洋探測、海洋資源開發(fā)是海洋活動的三大主題［1］。海底聲學(xué)探測作為海洋探測的技術(shù)手段之一，在海洋權(quán)益維護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋油氣開發(fā)等方面發(fā)揮著重要作用。隨著水下導(dǎo)航和高速數(shù)字信號處理等技術(shù)的快速發(fā)展以及多子陣成像和運動誤差估計等方面的研究工作不斷取得新的進(jìn)展，合成孔徑聲納研究亦取得快速發(fā)展。在水下無人移動平臺、水下拖曳平臺等多種平臺應(yīng)用均取得重大成功；在地貌成像、沉底小目標(biāo)成像、掩埋小目標(biāo)成像、海底管道探測、海底光纜探測等多種任務(wù)中均取得重要進(jìn)展。

1　合成孔徑聲納技術(shù)概述

合成孔徑聲納（SAS）的思想來自合成孔徑雷達(dá)（SAR）。1951年6月，美國Goodyear Aero-space Co.的Carl Wiley等人［2］提出了使用頻率分析方法可以提高雷達(dá)的方位向分辨率。此后，SAR技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已相當(dāng)成熟，并取代了傳統(tǒng)側(cè)視雷達(dá)，成為軍事和民用方面的重要觀測手段［3］。但由于聲波傳輸速度比電磁波低、水下環(huán)境惡劣、載體平臺運動不穩(wěn)定等原因，合成孔徑技術(shù)在聲納上的發(fā)展滯后于雷達(dá)［4］。1967年，美國Raytheon公司提出合成孔徑技術(shù)可以應(yīng)用到水聲信號處理中。1969年，Walsh［5］首先公開發(fā)表了關(guān)于SAS系統(tǒng)的論述。1973年，Sato，Ueda和Fukoda［2］公布了第一次SAS水池試驗結(jié)果。Willimas［6］于1976年，Christoff等人［7］于1982年，Gough和Hayes等人［8］于1989年的試驗表明水聲信號的相干性能滿足合成孔徑成像的要求，使用多子陣的方法可以突破聲速對載體運動速度的限制。從20世紀(jì)90年代開始，SAS已經(jīng)成為水聲信號處理的熱點之一。國際上已出現(xiàn)了多種不同型號的SAS系統(tǒng)樣機(jī)，如5個歐洲國家參與研制的SAMI SAS、Raython公司的DARPA SAS、法國湯姆遜公司的IMBAT3000 SAS、法國IXSEA公司的SHADOW SAS和新西蘭Canterbury大學(xué)的Kiwi SAS［9］等。

在此基礎(chǔ)上，美國和歐洲國家推出了一系列商用合成孔徑聲納產(chǎn)品，美國、法國、挪威和瑞典海軍也陸續(xù)開始裝備合成孔徑聲納作為反水雷裝備，典型產(chǎn)品包括瑞典FOI研制的SAS、挪威FFI研制的SAS、法國IXSEA SAS、意大利NATO NURC SAS、美國CSS SAS等。但從公開的文獻(xiàn)調(diào)研看，國外尚沒有推出雙頻合成孔徑聲納設(shè)備。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所在科技部“863”計劃課題的支持下，于1997年啟動對SAS的研究，經(jīng)過10多年的發(fā)展，在理論和技術(shù)上取得了很大進(jìn)展，先后研制了高頻系統(tǒng)、低頻系統(tǒng)樣機(jī)。2013年，在海洋公益專項支持下，進(jìn)行雙頻合成孔徑聲吶研制，在高頻和低頻合成孔徑成像技術(shù)集成的過程中解決了重量、體積、功耗、雙頻同步工作、可靠性和穩(wěn)定性等一系列關(guān)鍵問題，完成了雙側(cè)雙頻系統(tǒng)，并進(jìn)行了多次湖上和海上試驗，取得了清晰的水底成像結(jié)果。

2　合成孔徑聲納成像原理

合成孔徑聲納（SAS）是一種用于水下的主動式高分辨率聲波成像技術(shù)［10］，解決了側(cè)掃聲納方位向分辨率和基陣孔徑尺寸、工作頻率的矛盾，但信號處理過程比側(cè)掃聲納復(fù)雜。SAS通過小孔徑基陣在方位向的移動，合成一個虛擬的大孔徑，從而得到比基陣孔徑高的方位分辨率。由于虛擬孔徑與距離成正比，方位向的理論分辨率與距離和頻率無關(guān)，只與基陣孔徑有關(guān)。SAS可以工作在比側(cè)掃聲納低的頻率，以獲得分辨率和穿透性的結(jié)合，可用于探測掩埋目標(biāo)。示意圖如圖1所示。

圖1　SAS示意圖

SAS高分辨率包括高距離向分辨率和高方位向分辨率兩個方面。高距離向分辨率通過脈沖壓縮獲得，而高方位向分辨率通過合成孔徑原理獲得［11］。

2.1方位向分辨率

當(dāng)聲納發(fā)射窄脈沖信號時，距離向分辨率取決于發(fā)射脈沖時間寬度，即：

式中：c為聲速；Tc為脈沖時間寬度?？赏ㄟ^使用較小的Tc來獲得較高的距離向分辨率。但由于Tc過小時，發(fā)射信號能量過小，以至于不能保證聲納的作用距離。為了解決這對矛盾，SAS發(fā)射時間寬度較寬的線性調(diào)頻信號。對回波進(jìn)行匹配濾波處理，可以得到一個能量集中的窄脈沖，從而獲得該窄脈沖決定的距離分辨率。SAS的距離向分辨率為：

式中：Bc為信號帶寬。SAS的距離向分辨率與發(fā)射信號的帶寬成反比，與發(fā)射脈沖的時間寬度無關(guān)。方位分辨率是SAS相對于側(cè)掃聲納的主要優(yōu)勢。發(fā)射陣方位向尺寸為D，發(fā)射信號波長為λ時，其半功率點波束寬度大約為：

對于實孔徑聲納系統(tǒng)，在距離發(fā)射陣r處，方位向分辨率為：

式中：f為信號頻率。從上式可以得出，聲納基陣孔徑越大，信號頻率越高，方位向分辨率越高。但基陣孔徑越大成本越高越難實現(xiàn)，且載體平臺也會限制基陣孔徑，因此很難通過安裝很大尺寸的陣列孔徑來獲得高分辨率。頻率越高，海水對信號的吸收越大，從而限制聲納作用距離。此外，當(dāng)目標(biāo)距離越大時，方位向分辨率越低，很難在遠(yuǎn)距離處得到高的分辨率。

合成孔徑聲納技術(shù)使用真實孔徑的運動，在多個位置發(fā)射和接收信號，通過相干處理合成一個虛擬的較難實現(xiàn)的大孔徑，從而獲得比真實孔徑高的分辨率［12］。對于距離為r的目標(biāo)，聲納波束的照射寬度為：

圖2　SAS合成孔徑長度示意圖

考慮到發(fā)射和接收雙程影響，目標(biāo)相當(dāng)于使用孔徑長度為2W的基陣照射，方位向分辨率為：

可見，與側(cè)掃聲納不同，SAS的方位向分辨率理論上與信號頻率、目標(biāo)距離無關(guān)，完全由基陣尺寸決定。且基陣尺寸越小，方位向分辨率越高。這是因為，基陣尺寸越小，波束越寬，目標(biāo)接收回波信號的時間越長，對應(yīng)的合成孔徑越長。方位向分辨率的極限為。所以相比側(cè)掃聲納，SAS可以使用更低的信號頻率，獲得更高的方位向分辨率。但SAS也存在著運動補(bǔ)償要求高、測距測速矛盾突出［13］等問題，因而應(yīng)用還沒有SAR成功。

2.2距離向分辨率

一般來講，當(dāng)采用窄脈沖發(fā)射信號時，聲納的距離向分辨率與脈沖寬度成正比，即ρr=cτ/2，其中c為聲速，τ為脈沖寬度。這種情況下，可以通過發(fā)射更窄脈沖來提高距離向分辨率。但脈沖太窄，為了保證信號的強(qiáng)度，對發(fā)射功率要求很高。通常，采用寬帶線性調(diào)頻信號作為發(fā)射信號，通過對接收信號進(jìn)行匹配濾波處理，來得到高的距離向分辨率。如果調(diào)頻信號帶寬為B，距離向分辨率ρr=c/4B。

在進(jìn)行SAS成像之前，首先需要對回波信號進(jìn)行脈沖壓縮，得到距離向高分辨的距離壓縮信號。脈沖壓縮有兩種處理方法，一種方法是對回波信號去載頻，變成基帶信號，然后再做脈沖壓縮；另一種方法是，在載頻上直接作脈沖壓縮。

3　雙頻合成孔徑聲納設(shè)備

前已述及，SAS可用于水底二維高分辨率成像［11］。由于能工作在比側(cè)掃聲納更低的頻率，SAS可以獲得更遠(yuǎn)的傳輸距離，從而獲得較高的測繪效率，且聲波信號穿透性較強(qiáng)，能夠用于探測掩埋目標(biāo)，由于這一特性，使得進(jìn)行雙頻合成孔徑聲吶研制成為可能。

雙頻合成孔徑聲納技術(shù)是在高頻段使用大的帶寬和脈寬信號，通過脈沖壓縮的方法得到距離向高分辨率，低頻段則是利用較低頻信號在水聲信道中較低衰減的特點和較好的穿透特性，從而保證了在不喪失方位向分辨率的同時又具有較大的作用距離和對掩埋物體的探測能力。并且雙頻合成孔徑聲納的雙頻同時成像，便于對水下物體存置特性進(jìn)行比對分析，能夠滿足水下監(jiān)測陣、光纜、電纜等探測任務(wù)的需求。

本文提到的雙頻合成孔徑聲納（DF-SAS）是海洋公益性行業(yè)科研專項“海底管道探測技術(shù)集成及風(fēng)險評估技術(shù)研究與示范應(yīng)用（201305026）”資助集成研發(fā)的聲納設(shè)備。該設(shè)備利用實孔徑基陣的運動合成虛擬的大孔徑以提高探測分辨率的水聲成像設(shè)備，它集成了高、低頻合成孔徑聲納，目前測量船加裝的設(shè)備工作在拖曳模式下，已經(jīng)進(jìn)入海試以及示范應(yīng)用階段。

該雙頻合成孔徑聲納除了高低頻雙頻段工作之外，其最大探測深度超過了水下1 000 m，其拖曳深度達(dá)到了水下1 000 m，聲納拖魚由拖曳母船供電功耗僅為500 W，拖魚長2.5 m，直徑0.5 m，最大探測距離雙側(cè)600 m，探測分辨率可達(dá)5 cm×5 cm。針對掩埋物體，雙頻合成孔徑聲納可以探測掩埋深度不大于5 m的線狀目標(biāo)，目前實驗證明的掩埋物最小直徑8 cm。其工作示意圖如圖3所示。

圖3　合成孔徑聲納工作示意圖

DF-SAS系統(tǒng)各部分組成如圖4所示。

圖4　DF-SAS系統(tǒng)組成圖

此外，雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納還集成了高精度差分GPS以及水下超短基線定位設(shè)備。

4　雙頻合成孔徑聲納在海底探測中的應(yīng)用及效果分析

雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納可以實時對海洋中懸浮、沉底及掩埋目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)成像。第一，其成像原理保證在其全測繪帶內(nèi)保持恒定的分辨率，這樣可以在較高的測繪效率的同時得到較好的測繪效果；第二，其雙頻中的低頻單元可以穿透海底泥沙等底質(zhì)對掩埋物體進(jìn)行精細(xì)成像；第三，其較高的距離向和方位向分辨率可以保證不同直徑的管線均能清晰成像；第四，其集成了高精度差分GPS和水下超短基線定位設(shè)備，進(jìn)行了?？找惑w化定位，可以精確給出水下目標(biāo)地理位置，并且可以實時從成像瀑布圖讀取目標(biāo)位置信息；第五，其雙側(cè)工作提高了測繪效率的同時可以做到無死區(qū)覆蓋；第六，其雙頻同時工作，由于高頻不具掩埋探測能力而低頻具備，所以通過雙頻成像結(jié)果比對可以直觀判讀海底目標(biāo)是否處于掩埋狀態(tài)。

因此，基于合成孔徑技術(shù)的雙頻合成孔徑聲納可以廣泛應(yīng)用于海底地質(zhì)地貌、海底管道（掩埋、非掩埋）以及人類活動痕跡等，研究成果可用于海底管道安全狀態(tài)（懸空、裸露、掩埋）、海底地貌勘探、人類活動痕跡等的分析，從而實現(xiàn)對海底目標(biāo)的布設(shè)和檢查、海底地形地貌的判別、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的鑒別和分類、水文因素引起海底變化等，對海洋規(guī)律的探索、海洋的開發(fā)利用以及軍事活動都具有重要的研究價值和意義。

為了驗證DF-SAS的探測效果，我們選取海底管線密集的油田區(qū)進(jìn)行試驗。實驗前，對試驗區(qū)海底的管線情況進(jìn)行了解，對管線的位置和埋深，哪里有裸露管線等基本掌握，有針對性地布設(shè)試驗測線。在實際的海底管線探查實驗中，首先采用雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納對海底管線進(jìn)行探查，然后根據(jù)分析結(jié)果，在認(rèn)為的管線裸露區(qū)用攜帶聲學(xué)前視聲納和光學(xué)攝像的ROV進(jìn)行探查確定裸露管線，對認(rèn)為的掩埋管線，使用淺地層剖面儀進(jìn)行管線探測，以驗證管線的存在及埋藏深度。試驗完成聲納數(shù)據(jù)與傳感器定位數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)300 m，雙側(cè)600 m的測繪寬度，該范圍內(nèi)成像清晰。試驗結(jié)果表明，DF-SAS具有良好的管線探測能力，對至少埋深2 m的海底管線能形成清晰的連續(xù)圖像，并可進(jìn)行持續(xù)追蹤。

圖5為雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納成像結(jié)果和淺地層剖面儀驗證的比對結(jié)果。

圖6為石油鉆井平臺附近管線成像圖，由于平臺下方部分區(qū)域未掩埋而是采用壓塊壓置，從圖中可以清晰反映。

上述實驗結(jié)果表明，雙頻合成孔徑聲納主要有兩項優(yōu)點，一是對目標(biāo)的分辨能力與距離和采用的聲信號頻率無關(guān)，因此既可以采用高頻信號進(jìn)行高分辨率成像，也可以采用低頻發(fā)射信號進(jìn)行掩埋目標(biāo)的探測；二是可以采用小尺度的聲納基陣獲得高分辨率的目標(biāo)圖像，且方位向分辨率在全測繪帶上保持恒定高分辨率，不受作用距離影響。該設(shè)備兼具高分辨率的特點和沉底、半掩埋、掩埋管線的探測能力，是掩埋管線探測的理想手段。

圖5　掩埋管線探測結(jié)果

圖6　鉆井平臺下方管線探測結(jié)果（左為高頻，右為低頻）

5　結(jié)論

鑒于合成孔徑聲納在國防領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，世界各主要海洋國家均在大力發(fā)展合成孔徑聲納技術(shù)。雙頻合成孔徑成像聲納采用雙頻高分辨率合成孔徑成像技術(shù)，是一種新機(jī)理水下成像技術(shù)；通過雙頻聲圖對照，可以有效地判斷海底目標(biāo)的尺寸以及掩埋狀態(tài)。

海洋公益性行業(yè)科研專項“海底管道探測技術(shù)集成及風(fēng)險評估技術(shù)研究與示范應(yīng)用（201305026）”集成研制的雙頻合成孔徑聲納是對合成孔徑聲納技術(shù)的成功實踐和應(yīng)用。該設(shè)備在海底管道探測試驗中，對掩埋的海底管道和電纜等目標(biāo)均能清晰成像，并且發(fā)現(xiàn)管道壓塊等目標(biāo)，驗證了雙頻合成孔徑聲納對于海底目標(biāo)和掩埋物體的探測能力。

本雙頻合成孔徑聲納探測系統(tǒng)研制成功，首次完成國內(nèi)雙頻合成孔徑聲納的海底目標(biāo)原始數(shù)據(jù)的采集和實時成像，驗證了雙頻合成孔徑聲納成像處理技術(shù)在海底探測中的適用性。該設(shè)備將在海底探測中獲得廣泛應(yīng)用，對海洋規(guī)律的探索、海洋的開發(fā)利用以及軍事活動都具有重要意義。

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Research on the Synthetic Aperture Sonar Technology and Its Application in Seafloor Exploration

YANG Min，SONG Shi-lin，XU Dong，WANG Xiao-dan
North China Sea Marine Technical Support Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266033，Shandong Province，China

The synthetic aperture sonar technology has gradually become a research hotspot in the field of seafloor exploration.Remarkable progress has been made in the application of this technology，especially in topography，imaging of bottom and buried small targets，and seabed pipeline detection.In this paper，the working principle and research status of the synthetic aperture sonar technology are systematically expounded，with a focus on the technical advantages of the dual frequency and bilateral synthetic aperture sonar.Based on the case study of submarine pipeline exploration，this paper analyzes the application of this equipment in detail，and compares it with shallow stratum profiler in practically acquired images.This paper also verifies the adaptability and detecting ability of the dual frequency synthetic aperture sonar in seafloor exploration，and finally envisions the prospect of future research and applications.

synthetic aperture sonar；seafloor exploration；buried target

O429

A

1003-2029（2016）02-0051-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.009

2015-10-11

海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目“海底管道探測技術(shù)集成及風(fēng)險評估技術(shù)研究與示范應(yīng)用”（201305026）

楊敏（1981-），女，碩士，高級工程師，主要從事海洋地質(zhì)、海底探測等研究。E-mail:yangmin@bhfj.gov.cn