1762 October 2017 Vol 46 No, 10 AGCS http://xb.sinomaps.com 1.1.4精细化测量 1.2.2合成孔径成像算法 随着多波束测深技术的不断发展,研究者们 合成孔径成像算法的基本原理就是利用接收 希望通过多波東测深系统得到更为精细的测量结到的回波信号的时延信息求解出目标与收发换能 果,因此研究的方向主要集中于距离向精细测量、器之间的距离,进而推导出目标的所在位置。常 水平向精细测量、航迹向精确测量3个方面。距见的算法有:时域延时求和算法、距离多普勒算 离向的精细度主要取决于系统的采样频率,采样法、 Chirp- Scaling算法、波数域算法等[凹。根据 频率越高则对回波到达时间的估计越精细,同时所使用基阵的阵型推导出各阵元与目标之间的时 LFM信号的匹配滤波技术也能够提升信号的处延差,并提出实用的成像算法是合成孔径技术的 理增益和时间分辨能力。水平向的精细测量主要研究热点 取决于波束密度和波束宽度,更多的波束数目、更123载体运动姿态补偿 小的波束角度能够带来更精细的测绘条带[1。 如果想获得航迹向虚拟大孔径的分辨能力就 航迹向精确测量的局限性在于航速与帧率的制约需要非常准确的航迹向航行轨迹,而实际上载体 以及多波束系统的航迹向波束脚印较宽,目标分航向的偏移等运动误差形式是一直存在的,这种 辨能力不够需要一种新的探测机理有效地提升载体的运动误差会造成图像的散焦,所以在合成 系统的航迹向分辨率。结合了多波束测深技术和孔径技术的研究中运动误差的估计与补偿是其实 合成孔径技术的 MeSAS技术,这种有效的途径用化的最大瓶颈。相位梯度自聚焦算法(PGA) 近年来逐渐受到研究者们的关注 算法利用回波信号相位上存在的冗余度,理论上 1.2合成孔径声呐研究进展 实现对任意误差的校正[。多子阵SAS系统中 合成孔经声呐技术的发展最早可以追溯到可以采用冗余相位中心(DPCA)算法,通过重叠 1967年美国 Raytheon公司的 Walsh等人,他们从目标的相关处理获得相位误差信息。寻找有 1967年到1969年分别发表文章阐述他们把合成效并且价格相对低廉的载体多自由度运动误差估 孔径技术应用到对海底小目标如锚雷等进行高分计和补偿方法是目前合成孔径技术的研究热点 辨成像的研究结果[0。近些年来,合成孔径技术 之 的发展已经由实验室走到了外场,更多的理论验13多波束合成孔径声呐新技术 证样机和海洋试验出现在学术界的视野内[21231 相比于侧扫合成孔径声呐而言多波束合成孔径 目前主流的合成孔径声呐一般采用侧扫式合成孔 孔声呐的研究起步较晚,最先见于文献的是2001年 日本的研究人员在 Seabeam2000多波束测深声 径方法,国内外学者和声呐厂商纷纷推出各自的 呐的基础上使用了合成孔径的算法,得到了很好 研究成果并推向实际应用23。但是这些研究的探测效果。20年美国研究者向美国专利局 都没有很好地解决垂底区域存在缝隙问题,普遍 申请了多波束合成孔径声呐的发明专利申请,在 需要单独使用多波束测深声呐或者成像声呐进行 国际上首次提出了多波束合成孔径声呐的初步设 补隙,数据拼合效果有待提升。现阶段合成孔径 想[31,然而其后,国际上未有该机构研究者利用 声呐的研究热点主要集中在目标回波模拟2、多波束测深声呐进行合成孔径算法深入研究的文 合成孔径成像算法、载体运动姿态补偿等章公开发表 方面m0。 2015年, Kongsberg公司首次利用该公司 1.2.1目标回波仿真 EM2040C浅水多波束测深系统数据,进行合成孔 由于水下目标探测外场试验条件复杂,不可径算法处理,并将结果与多波束测深声呐结果进 控因素多成本高,需要进行大量理论仿真研究,比行对比。对比结果表明,经合成孔径算法处理后 如目标回波模拟以代替部分外场试验,然而目标能够得到更为精细的水下地形图像,该公司将这 回波模拟是一项相当复杂的工作。目前国内外很套系统称为 HISAS2040,这也是国外目前为止 多专业机构已经展开了相关的研究并取得了相应见到的最新利用多波束声呐数据进行合成孔径算 的进展,例如北约水下研究中心的 SIGMAS软件法处理的实例 仿真系统以及新西兰 Cantbury大学开展的掩埋 哈尔滨工程大学通过对侧扫合成孔径声呐的 目标回波研究等 研究后在国内率先提出多波束合成孔径声呐的概October２０１７Vol．４６No．１０AGCS http:∥xb．sinomaps．com １．１．４ 精细化测量 随着多波束测深技术的不断发展,研究者们 希望通过多波束测深系统得到更为精细的测量结 果,因此研究的方向主要集中于距离向精细测量、 水平向精细测量、航迹向精确测量３个方面.距 离向的精细度主要取决于系统的采样频率,采样 频率越高则对回波到达时间的估计越精细,同时 LFM 信号的匹配滤波技术也能够提升信号的处 理增益和时间分辨能力.水平向的精细测量主要 取决于波束密度和波束宽度,更多的波束数目、更 小的波束 角 度 能 够 带 来 更 精 细 的 测 绘 条 带[１９]. 航迹向精确测量的局限性在于航速与帧率的制约 以及多波束系统的航迹向波束脚印较宽,目标分 辨能力不够,需要一种新的探测机理有效地提升 系统的航迹向分辨率.结合了多波束测深技术和 合成孔径技术的 MbSAS技术,这种有效的途径 近年来逐渐受到研究者们的关注. １．２ 合成孔径声呐研究进展 合成孔经声呐技术的发展最早可以追溯到 １９６７年美国 Raython公司的 Walsh等人,他们从 １９６７年到１９６９年分别发表文章阐述他们把合成 孔径技术应用到对海底小目标如锚雷等进行高分 辨成像的研究结果[２０].近些年来,合成孔径技术 的发展已经由实验室走到了外场,更多的理论验 证样机和海洋试验出现在学术界的视野内[２１Ｇ２３]. 目前主流的合成孔径声呐一般采用侧扫式合成孔 径方法,国内外学者和声呐厂商纷纷推出各自的 研究成果并推向实际应用[２４Ｇ２５].但是这些研究 都没有很好地解决垂底区域存在缝隙问题,普遍 需要单独使用多波束测深声呐或者成像声呐进行 补隙,数据拼合效果有待提升.现阶段合成孔径 声呐的研究热点主要集中在目标回波模拟[２６Ｇ２７]、 合成孔 径 成 像 算 法[２８Ｇ２９]、载 体 运 动 姿 态 补 偿 等 方面[３０]. １．２．１ 目标回波仿真 由于水下目标探测外场试验条件复杂,不可 控因素多成本高,需要进行大量理论仿真研究,比 如目标回波模拟以代替部分外场试验,然而目标 回波模拟是一项相当复杂的工作.目前国内外很 多专业机构已经展开了相关的研究并取得了相应 的进展,例如北约水下研究中心的SIGMAS软件 仿真系统以及新西兰 Cantbury大学开展的掩埋 目标回波研究等[３１]. １．２．２ 合成孔径成像算法 合成孔径成像算法的基本原理就是利用接收 到的回波信号的时延信息求解出目标与收发换能 器之间的距离,进而推导出目标的所在位置.常 见的算法有:时域延时求和算法、距离多普勒算 法、ChirpＧScaling算法、波数域算法等[３２].根据 所使用基阵的阵型推导出各阵元与目标之间的时 延差,并提出实用的成像算法是合成孔径技术的 研究热点. １．２．３ 载体运动姿态补偿 如果想获得航迹向虚拟大孔径的分辨能力就 需要非常准确的航迹向航行轨迹,而实际上载体 航向的偏移等运动误差形式是一直存在的,这种 载体的运动误差会造成图像的散焦,所以在合成 孔径技术的研究中运动误差的估计与补偿是其实 用化的最大瓶颈.相位梯度自聚焦算法(PGA) 算法利用回波信号相位上存在的冗余度,理论上 实现对任意误差的校正[３３].多子阵 SAS系统中 可以采用冗余相位中心(DPCA)算法,通过重叠 目标的相关处理获得相位误差信息[３４].寻找有 效并且价格相对低廉的载体多自由度运动误差估 计和补偿方法是目前合成孔径技术的研究热点 之一. １．３ 多波束合成孔径声呐新技术 相比于侧扫合成孔径声呐而言多波束合成孔径 声呐的研究起步较晚,最先见于文献的是２００１年 日本的研究人员在 SeaBeam２０００多波束测深声 呐的基础上使用了合成孔径的算法,得到了很好 的探测效果.２００２年美国研究者向美国专利局 申请了多波束合成孔径声呐的发明专利申请,在 国际上首次提出了多波束合成孔径声呐的初步设 想[３５],然而其后,国际上未有该机构研究者利用 多波束测深声呐进行合成孔径算法深入研究的文 章公开发表. ２０１５年,Kongsberg 公 司 首 次 利 用 该 公 司 EM２０４０C浅水多波束测深系统数据,进行合成孔 径算法处理,并将结果与多波束测深声呐结果进 行对比.对比结果表明,经合成孔径算法处理后, 能够得到更为精细的水下地形图像,该公司将这 套系统称为 HISAS２０４０,这也是国外目前为止 见到的最新利用多波束声呐数据进行合成孔径算 法处理的实例[３６]. 哈尔滨工程大学通过对侧扫合成孔径声呐的 研究后在国内率先提出多波束合成孔径声呐的概 １７６２