【正文】 目標區(qū)域所決定，如圖21所示，要照射的目標區(qū)域，真實孔徑大小為D即可，但對應合成孔徑的等效大小卻為2L，即 (23)所以合成孔徑聲納的方位向分辨率為 (24)因此可以看出，與傳統(tǒng)聲納不同，方位向合成孔徑聲納的分辨率獨立于目標距離和發(fā)射信號頻率，僅由真實孔徑聲納尺寸D決定，并且D越小分辨率越高，我們可以在低頻下(意味著信號衰減小和作用距離遠)得到比真實孔徑聲納分辨率高的圖像來。而信號的衰減隨著頻率的增大而增大，這就意味著我們需要用更大的發(fā)射功率才能獲得傳輸更遠的距離。如果目標距發(fā)射陣的距離為，則用線性尺寸表示的目標方位分辨率為 (22)從(22)式可以看到，發(fā)射陣孔徑D越大，對目標的方位分辨率越高[2]。第五章在前兩章的基礎上，將通用SVA算法應用于SAS二維成像旁瓣抑制，比較了距離—方位分步處理和二維同時處理這兩種應用方法的性能差別。第二章介紹了SAS的成像基本原理，聚焦工作方式、線性調(diào)頻信號選擇以及脈沖壓縮處理，并給出了SAS回波數(shù)據(jù)計算機仿真模型，最后指出了合成孔徑聲納中一些需要解決的問題。針對以上這些困難，當前主要的四個研究方向為：介質(zhì)穩(wěn)定性對SAS的影響、運動補償、提高測繪速率、高效穩(wěn)健的合成孔徑成像算法等等。聲納載體不規(guī)則運動及介質(zhì)擾動造成的相位誤差，對于孔徑能否合成起著關鍵作用。各國進行SAS實驗時，大部分采用了小目標，如乒乓球、柱形桿、水泥墩、木墩、漁浮、油桶及金屬球等進行探測與成像。繼湖試試驗取得成功之后，我國第一部具有自主知識產(chǎn)權的合成孔徑聲納，于2005年底在浙江舟山海域進行海試試驗獲得成功。此外，日本、荷蘭、挪威、俄國等也有SAS系統(tǒng)研制的報道。美國Northrop Grumman公司為美國海軍水面戰(zhàn)中心研制了用于探測沉底水雷的合成孔徑聲納，其原型系統(tǒng)分別于1996年8月和1997年1月進行了海上試驗。歐洲民用方面的SAS研究，側重性能價格比方面的提高，在適中的分辨率下追求實時性和高測繪效率，以便在民用領域開拓市場。一些SAS系統(tǒng)的作用距離從原來的幾十米、幾百米到十幾公里，甚至更遠；分辨率也從米、分米到厘米量級。這主要是因為水中聲波傳播速度較低（相比于電磁波）、聲納載體不規(guī)則運動及介質(zhì)起伏等復雜的水下信息傳播環(huán)境帶來的影響。合成孔徑聲納技術的研究是一個涉及到水聲物理、信號處理、聲學基陣技術以及計算機技術的綜合研究領域。但由于拖曳過程中的穩(wěn)定性和機動性的限制，把基陣長度增加到太大的量級是不現(xiàn)實的，這就使孔徑合成技術成為了值得研究的方法。這樣我們就可以用較小的聲納基陣和較低的工作頻率同時滿足近距離和遠距離的探測需要。水下較遠距離的探測和成像一般都使用聲納設備。隨著人類海洋活動的日益增多，各種水聲技術和設備迅速發(fā)展起來。開發(fā)和利用海洋資源具有非常重大的意義。海洋不但是巨大的資源寶庫，而且對地球的環(huán)境有著巨大的影響。隨著科學技術的進步，人們的海洋活動逐漸增多。二十一世紀被人們稱為海洋的世紀。海底探測作為海洋開發(fā)利用的重要手段，倍受人們重視。目前水底成像聲納主要有回聲探測儀，前視聲納、測視聲納（SLS）等。同時，由于分辨力與探測距離無關，SAS還可以獲得均勻的空間分辨力。因此，SAS具有利用低頻、小尺寸換能器獲得遠距離高方位分辨率的特點，在高分辨成像領域有著極大的潛在應用前景。本文將著重研究合成孔徑聲納成像算法中的旁瓣抑制技術，對現(xiàn)有的算法加以研究和改進，以達到提高目標點分辨力、降低圖像旁瓣干擾的目的。因此，合成孔徑理論日臻完善，但合成孔徑技術在聲納中的應用還遠未成熟。新西蘭CANTERBURY大學Perter Gough領導的課題組于1993年推出的KIWI SAS是較早的合成孔徑聲納海試樣機系統(tǒng)。法國的新型合成孔徑聲納IMBAT3000是商用型的，主要用于水下地形地貌勘測和石油開采。美國雷聲公司和DTI公司從1994年起合作研制了兩型合成孔徑聲納系統(tǒng)DARPA和CEROS，分別用于探測水雷和近水域埋藏的爆炸物。國內(nèi)方面，中科院聲學所與中船重工715所在863計劃課題支持下，于1997年開始進行合成孔徑聲納湖試樣機的研制工作。中科院聲學所在成功研制合成孔徑聲納海試樣機的基礎上，不斷總結經(jīng)驗，通過改進和完善，于近期完成了一套應用型合成孔徑聲納系統(tǒng)，并進行了湖上應用性驗證試驗。目標一般懸于水中或沉于海底，或掩埋、半掩埋于海底。為得到高質(zhì)量的SAS圖像，必須進行運動誤差的補償?？傊琒AS技術仍在發(fā)展之中，它不但涉及工程問題，也涉及與之相關的水聲物理問題。第三章主要介紹了SAS成像算法。針對SVA的主瓣處理特性，利用迭代外推法對SVA處理進行了改進。但是，由于實現(xiàn)上的困難，我們不能無限制地增大發(fā)射陣尺寸，因此真實孔徑聲納的目標分辨率是相當有限的。面臨以上問題，我們設想用孔徑為D的真實孔徑聲納的運動來等效地構成一個大孔徑聲納，則目標方位分辨率可得到提高。但方位分辨率并非可以無限地提高，可以證明其方位分辨率極限[3]為： (25) LDDD2L圖21 合成孔徑聲納側視圖由此可以總結合成孔徑聲納形成條件為：真實孔徑聲納相對于目標運動，并發(fā)射線性調(diào)頻信號，記錄接收信號并做適當信號處理，使對同一目標單元的各個回波信號能夠同相疊加，這種工作方式也稱為聚焦式SAS[3]。這是很容易用兩個矢量相加的概念來解釋的，如果兩個矢量的相位差超過，則它們的和矢量可能會小于原來矢量的幅度。這時發(fā)射陣在每一個方位向位置上發(fā)射相同的線性調(diào)頻信號，接收時通過匹配濾波器將其壓縮為窄脈沖，從而獲得高的徑向距離分辨率[4]。 線性調(diào)頻信號LFM信號(也稱Chirp信號)的數(shù)學表達式為： (27)式中為載波頻率，為矩形信號， (28)是調(diào)頻斜率，于是信號的瞬時頻率為，如圖22 圖22 典型的chirp信號（a）upchirp（b）downchirp將27式中的upchirp信號重寫為： （29）式中， （210）是信號s(t)的復包絡。脈壓處理的本質(zhì)就是對回波信號做匹配濾波[5]。 (215)LFM信號的壓縮前脈沖寬度T和壓縮后的脈沖寬度之比通常稱為壓縮比D， (216)壓縮比也就是LFM信號的時寬頻寬積，即分辨率提高倍數(shù)[5]。在條帶模型系統(tǒng)中，拖體經(jīng)過孔徑時發(fā)射波束垂直于運動方向，并照射一塊目標區(qū)域。這里我們對數(shù)據(jù)模型需要做以下假設：第一，模型忽略了介質(zhì)擾動、折射以及多途的影響，且聲速保持恒定，信號是沿著一條直線傳播，因此傳播延時正比于目標距平臺的距離。圖27 空間幾何關系 (a)正視圖 (b)側視圖如圖27，選取直角坐標系XYZ為參考坐標系，XOY平面為地平面；SAS平臺距地平面高h，沿X軸正向以速度V勻速航行；P點為SAS平臺的位置矢量，設其坐標為(x,y,z)；T點為目標的位置矢量，設其坐標為；表示合成孔徑長度，它和合成孔徑時間的關系是，為聲納天線半功率點波束角，為波束軸線與Z軸的夾角，即波束視角，為近距點距離，為遠距點距離，W為測繪帶寬度由幾何關系，目標與SAS平臺的斜距為： (217)由圖可知：；令，其中為平臺速度，s為慢時間變量（slow time），假設，其中表示SAS平臺的x坐標為的時刻；再令，表示目標與SAS的垂直斜距，重寫217式為： (218) 表示任意時刻時，目標與聲納的斜距。圖28 SAS發(fā)射和接收信號圖28表示SAS發(fā)射和接收信號的時域序列。其中為chirp分量，它決定距離向分辨率，為doppler分量，決定方位向分辨率。為了作數(shù)字信號處理，在距離向(快時間域)也要采樣，假設采樣周期為Tr，則，如圖29，方位向發(fā)射N個脈沖，距離向采樣得到M個樣值點，則SAS回波為一個矩陣，K個理想點目標的回波經(jīng)采樣后的表達式為： (224)上述表達式即為SAS成像模型的一個基本的構建回波數(shù)據(jù)表達式，是下一章討論各種成像算法的基礎。高分辨合成孔徑聲納與普通側掃聲納的重要區(qū)別，除了其方位向分辨力在不同距離上保持恒定，且與采用的信號頻率、工作距離無關外，普通側掃聲納只受到距離模糊的限制，而SAS將受到方位模糊與距離模糊的聯(lián)合限制[4]。因此，單接收陣元SAS系統(tǒng)的測繪速率難以提高，而低速影響平臺的穩(wěn)定性，往往不能滿足實際工作的需要。這種情形下進行信號處理是非常困難的。并給出了合成孔徑聲納的原始回波信號的空間模型及計算公式。本章將在前一章點目標SAS回波模型基礎上，針對不同程度的距離徙動，討論需要采用的各種成像算法。如圖31所示，天線的波束寬度為，當載體達到點時波束前沿觸及點，而當載體達到點時，波束后沿離開點，到的長度即有效合成孔徑，點對、的轉(zhuǎn)角即相干積累角，它等于波束寬度。因此，定義了相對距離徙動（）和相對距離徙動差（）。此外，場景與航線的最小距離越大，距離徙動也越大。從圖32中的右圖可見，這時斜距與的關系曲線（近似為拋物線）與圖31的完全相同，只是合成孔徑中點不在最近距離點，而是移到圖中的點。其中，距離多普勒（RD）算法通過距離徙動校正，消除距離和方位之間的耦合。SAS回波距離向FFT距離壓縮距離向IFFT距離徙動校正方位向FFT方位向IFFT方位壓縮SAS成像圖33 RD算法典型的數(shù)字處理流程下面首先從距離徙動對包絡位移影響可以忽略的最簡單情況開始。在合成孔徑期間， （其中通常取4或8）[23]時距離彎曲可忽略。實際總是對一定的條帶場景成像，錄取得數(shù)據(jù)遠比所相當?shù)貢r間長得多。在譜域作方位壓縮的匹配濾波后，該線性相位因子會使各點目標的像位于相應的位置。圖34 RD算法成像圖 校正線性距離走動的距離多普勒算法前一小節(jié)討論的是正側視情況，且距離彎曲對包絡位移的影響可以忽略，這一小節(jié)，我們將討論波束射線有一定的斜視角（），距離彎曲的影響仍可忽略，但距離走動的影響須加考慮。反過來，也可從、和求得和。根據(jù)駐相原理，(325)式中可直接寫成 (326)這里要說明一點，如果沒有距離走動，或不校正距離走動，距離壓縮后，相同距離單元里散射點的斜距是相同的。本節(jié)主要討論徙動量隨不變的情況，隨變的情況在下節(jié)CS算法中討論。信號在此距離時間方位頻率域(域)可寫成： (330)這里的就是方位頻率，其范圍為 (331)這里的距離頻率調(diào)頻率為 (332)其中 (333)在域，點目標的距離走動為， (334)這里如下式所示，它和距離無關，在時等于0，而在偏離0時，為小正值。下面我們先研究第二項。在域信號寫為 (339)(339)式中的第一個指數(shù)項為距離頻率域調(diào)制相位函數(shù)?？梢钥闯觯ㄟ^距離—多普勒域的RMC之后，成像結果有了明顯提升。采用CS算法，先在域里將不同的曲線的彎曲調(diào)整成一樣，即將距離向的空變調(diào)整為非空變，然后再對快時間作傅立葉變換，變到距離頻率方位頻率域(域)，對不同距離的回波統(tǒng)一作脈沖壓縮處理。(345)式中的第一個指數(shù)項為距離頻率域調(diào)制相位函數(shù)，第二個指數(shù)項中為CS操作后所有點所具的相同的距離徙動量。圖37 CS算法三點目標成像圖由于CS操作引起回波信號包絡發(fā)生變化，影響對散射點的聚焦。這樣對二次距離壓縮的處理只考慮了調(diào)頻率隨多普勒頻率的變化，而忽略了其隨距離變化的空變特性。無論聲納斜視角如何，也不管景物的大小和遠近，距離徙動算法都能實現(xiàn)對散射點的完全聚焦，它是SAS成像的最優(yōu)實現(xiàn)[16]。對方位慢時間作傅立葉變換得 (351)其中方位向的波數(shù)和方位多普勒頻率的關系為。(357)式的相位項為 (358)其中第一項是與散射點圖像有關的相位項，第二項是殘留相位誤差項(RVP)，可以校正。RD、CS、和FSA都是可避免插值，并降低運算量，但這些方法都在一定的近似條件下適用。對于第(2)種情況，一般存在一定斜視角情況下發(fā)生，只須考慮距離走動，而不考慮距離彎曲，距離走動會發(fā)生距離和方位的耦合，但場景內(nèi)各處的距離走動率是相同的，一般采用時域解耦合方法，因而可采用分維處理的常規(guī)RD算法[13]，只要在距離壓縮的同時進行距離走動校正，即在距離頻率—方位時間域，在不同方位時刻對距離頻率乘以線性頻率因子(對應距離移動量隨方位時間變化)。對于第(4)種情況，這時散射點的距離徙動是空變的，距離和方位同樣存在耦合的，而且由距離彎曲引起的耦合部分在條帶場景內(nèi)是變化的，這時的多普勒域解耦合算法要具有位移修正量隨距離而改變的功能，主要有線頻調(diào)空變平移算法（CS）類算法[22]、距離走動算法(RMA) [16]。由于RDA每次操作都在一維進行，無需在二維頻域操作，故可實現(xiàn)高效的流水作業(yè)。本章主要介紹了合成孔徑聲納成像最常用的三種成像算法：距離—多普勒成像算法、線性調(diào)頻變標成像算法和距離徙動算法，并詳細列出了這三種算法的成像機理，給出了仿真結果，比較了算法的性能和適用性。不過這樣也意味著對主瓣寬度的延展，導致目標分辨率惡化。