合成孔径声呐技术研究(综述)

　　海洋监测的主要内容之一是海底探测.旁扫声呐是形成海底声图象,进行海底底质、地貌、工程结构分析以及进行沉物打捞作业等的有效工具.然而,普通旁扫声呐的方位分辨力随距离的增加变坏的缺点使得不能期望用它来获得大面积、高质量的海底图象.合成孔径声呐(SAS)由于具有利用低频小尺寸换能器获得远距离上高方位分辨力的特点,而有望替代传统的旁扫声呐,成为海洋监测的有力工具.SAS的研究已经成为90年代水声研究的热点之一.

　　合成孔径技术的基本思想是对小孔径基阵沿直线运动过程中记录的接收信号进行孔径合成处理,从而达到虚拟大孔径基阵的方位分辨力效果.这项技术最早起源于雷达成象领域[1],目的是提高雷达图象的方位分辨力,将它引入声呐领域是从60年代末开始的[2].然而,合成孔径技术在声呐领域的应用远不如雷达成功,虽然经过三十几年的发展,仍未进入实用阶段.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SAS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.本文的重点在于综述主动式SAS的发展历程及关键技术的研究现状,为开展SAS研究的人员提供一定的参考.关于SAS的基本原理及被动式SAS的发展情况可参阅其它有关文献.

　　1 SAS发展历程的简要回顾

　　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SAS自身发展的阶段性出发来简要概括SAS的发展历程及各个阶段有代表性的研究成果.

　　1.1 可行性研究及理论探讨

　　最早提出合成孔径技术可以在水声中应用的是美国Raython公司[2].他们的研究重点是探讨能否用合成孔径方法对海底,特别是对海水中的小目标,如锚雷进行高分辨成象.合成孔径声呐与普通旁扫声呐性能的比较是SAS发展之初很多研究者的研究重点.其中,Cutrona[3,4]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SAS的设想来提高声呐的测绘速率;Hugh[5]在比较了200 kHz的旁扫声呐与3 kHz的SAS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,SAS比旁扫声呐的测绘速率提高200倍,而作用距离提高18倍;McKinney[6]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Loggins[7]在比较了合成孔径雷达(SAR)与SAS的差别,SAS与常规声呐的差别之后,提出了采用/Vernier0阵处理技术提高合成孔径声呐的测绘率和采用非相干方法减小合成孔径声呐图象的斑点噪声(Speckle Noise);Bruce[8]对30 kHz的SAS与SeaMarc II[9]旁扫声呐进行了比较,得出了在保持相同测绘速率的前提下SAS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SAS已经开始脱离SAR的发展模式,走上自己的发展道路.De Heering[10]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. Gough[11]及Rolt[12]等人也对宽带合成孔径处理进行了研究.