干涉式合成孔径处理水池试验

　　在过去的10年中,合成孔径声纳的研究取得了巨大的进展.由于采用合成孔径技术可以取得目标的垂直距离向分辨力不依赖于声纳工作频率和目标距离的优点,从而可以采用低频小尺寸换能器改善目标在远距离的垂直距离向分辨力.尽管诸如运动误差补偿等技术问题尚未彻底得以解决,但它优于常规旁扫声纳的性能特点仍吸引学术界和工业界的许多研究兴趣.至今为止已有实际的声纳系统[1~3]展示了利用合成孔径技术提高海底二维后向散射图像的垂直距离向分辨的能力.也有一些仿真和试验研究[4]借鉴干涉原理提取第三维即目标离海底的高度信息来合成海底的三维图像,一些合成孔径系统[3]也已经获得了一些实际海底的三维图像.

　　本文将介绍一个在消声水池中进行的合成孔径声纳试验.应用干涉式合成孔径原理对试验数据进行处理得到了悬挂于水池中心的10个乒乓球的三维图像.

　　1 试验布置

　　在一个尺寸为3.3m(长)x3.3m(宽)x3.5m(高)的消声水池中进行了一次多种目的的合成孔径声纳试验.其中一项即是利用干涉测深原理进行水下目标高度的测量.图1示出了试验所采用的由5个直径为5cm的基元组成的垂直换能器阵.其中最上面的基元用于发射100 kHz,60Ls的声脉冲,其余4个基元用于接收水下目标的后向散射信号,因此一次可对于同样的水下目标场同时合成4幅合成孔径声纳图像.基阵倾斜20°C,并通过一个法兰盘与一刚性吊杆连接.试验中通过调解吊杆的高度将基阵浸于水面下1.0m或等效于距离池底2.3m的深度(参考于发射基元的中心),并将吊杆与导轨上的小车相连.小车可以在计算机的预设程序的控制下以/停走停0的方式在导轨上运动.在每一个小车停留位置均触发一次声脉冲发射,并同时以4通道16位1 MHz的采样率同步采集水下目标的散射场信号.小车的定位精度小于0.1mm,所以合成孔径成像方式所需的理想空间采样要求得以保持,得到的合成孔径声纳图像也会有较高的质量.干涉式测深处理中采用的目标为10个乒乓球(见图2).它们被安排为两排并且两两之间的距离保持为30cm.将目标悬挂于距导轨2.5m处并浸于水深的一半(相对于底1.7m) ,以保证目标处于换能器基阵的波束照射范围内.

　　2 干涉式测深原理

　　图3是干涉式测深原理示意图.如图所示,两条孔径间的基线间隔为B,并与垂线方向成倾角F.它们可对同一成像区域形成独立的两幅合成孔径图像,而图像的每一个像素点对应于一个离散的目标散射强度的估计.假设以下面的基元等效中心为参考的水深为θ,并知道利用此孔径合成的图像的某个像素的距离为r1,就可以根据干涉测深原理得到对应此像素的目标后向散射信号的入射角度θ,据此可估计出目标的高度.整个处理过程是逐像素进行的.