合成孔径声纳概述

合成孔径声纳

合成孔径声纳的研究起源于五十年代末期，但直到八十年代以后，合成孔径声纳的研究才逐步全面展开。目前国际上只有少数国家和地区研制出了合成孔径声纳原型机并进行了海上试验。

合成孔径声纳是一种新型高分辨水下成像声纳，合成孔径雷达原理推广到水声领域，就出现了合成孔径声纳。其基本原理是利用小孔径基阵的移动，通过对不同位置接收信号的相关处理，来获得移动方向（方位方向）上大的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力。从理论上讲，这种分辨力和探测距离无关。直观地说，距离越大，合成孔径长度就越长，合成阵的角分辨率就越高，从而抵消了距离增大的影响，保持了分辨力不变。

但合成孔径声纳作为一种水下成像设备，受水下复杂条件的影响，有不同于合成孔径雷达的特点。首先是声传播信道的非理想性比合成孔径雷达中电磁波传播的严重；其次是声纳拖体的运动稳定性比合成孔径雷达要差得多；再者因为声速大大低于电磁波在空间的传播速度，从而大大限制了拖体运动的速度；最后由于声纳中常采用宽带信号而使雷达中的一些窄带信号处理方法在合成孔径声纳中不再适用，需对已有的算法进行改进或研究新的算法。这正是合成孔径声纳研究极富挑战性之所在。

合成孔径声纳系统一般由三个分系统组成：1)声纳分系统，由合成孔径声纳基阵、发射机、接收机、数据采集、传输和存储子系统、声纳信号处理机和显控台等组成；2)姿态与位移测量分系统，由姿态、位移测量系统和GPS等组成；3)拖曳分系统，由绞车、拖缆和拖体等组成。

合成孔径声纳可以用于水下军事目标的探测和识别，最直接的应用就是进行沉底水雷和掩埋水雷的高分辨探测和识别。在国民经济方面，可以用于海底测量、水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有重要意义。

综合声纳技术研究室"九五"期间在国家863项目支持下，研制出国内第一套合成孔径声纳湖试样机。

合成孔径声纳成像算法

合成孔径声纳成像算法分为聚焦处理和非聚焦处理算法。这里只要介绍聚焦算法。聚焦处理成像算法较多，主要包括数字波束形成算法、距离-多普勒（R-D）算法、波数域（w-k）算法和调频变换（Chirp-Scaling）算法等。

波束形成算法

这种方法是一种逐点计算像素值的方法。根据声纳拖体运动过程中发射信号和接收信号传播路径的几何关系，计算出运动轨迹上各个接收位置的时间延迟或相位差，通过延时补偿后迭加的方法得出各像素点的值，从而得到合成孔径声纳的图像。这是一种逐点算法，计算量很大，适用于宽带信号的情况。

距离-多普勒（R-D）算法

这种算法首先对时域匹配滤波后得到的原始数据进行空间波数域变换，得到距离-多普勒域的结果，然后在距离-多普勒域通过数据的重排补偿时延的变化，最后实施横向空间压缩，从而获得最终的合成孔径的图像。这是一种逐线处理算法。

波数域（w-k）算法

这种算法把脉冲压缩后原始数据的图像经过二维付氏变换得到频率-波数域的图像，对这个图像进行适当处理后，在进行一种称作Stolt映射的变换，就得到了直角坐标的纯波数域的像，最后再经过二维逆付氏变换，就得到了最终合成孔径的图像。这是一种数据成块处理的算法，因而效率很高，适用于宽带信号的情况。

调频变换（Chirp-Scaling）算法

Chirp-Scaling算法只适用于回波信号为线性调频信号的情况，它首先把未做距离压缩的原始信号做空间FFT得到距离-波数域的结果，再通过把这一结果乘上一个线性调频信号使不同距离的距离弯曲相同，然后采用FFT实现脉冲压缩、距离矫正等，之后再变换到距离-波数域去消除剩余相位误差，最后在进行横向方位压缩后做逆变换得到最终合成孔径声纳的像。这种算法的效率很高，但是一种窄带算法。

合成孔径声纳运动补偿

由于声在水中传播速度较低，合成孔径声纳基阵运动速度一般也比较慢，这样声纳拖体由于水流作用等原因使得基阵很难按照理想的匀速直线运动，必然出现运动偏差，从而引起信号的相位误差，若不进行相位补偿，就会导致成像质量的下降，甚至得不到清晰的图像，因此，运动补偿成为合成孔径声纳成像的一个重要方面。

运动补偿算法可以分为两种，一种是将运动监测系统测得的运动误差直接引入成像算法中进行相位补偿处理，运动监测系统一般利用KALMAN 滤波器对姿态传感器和多普勒计程仪的测量结果进行数据融合得到精确的姿态、位移测量信息；另一种是利用回波信号本身估计基阵的位移的方法，包括自动聚焦算法（PGA）算法和相位中心估计（DPC）算法。自动聚焦算法PGA主要矫正高频运动误差，是一种图像域矫正算法；DPC算法是利用不同接收阵收到信号间的互相关信息提取运动误差信息，然后进行补偿，它包括阵元与阵元相关算法及波束与波束相关算法，可以矫正低频大尺度的平移及姿态运动误差