水下目標探測與識別技術Detectionandidentificationofunderwaterobjects第二章水下探測的主要技術手段2.1水下聲成像技術的基本原理和設備單波束測深儀(SingleBeamEchoSounder,SEES)；多波束測深儀(Multi-beamEchoSounder,MBES)；側掃聲納(SideScanSonar,SSS)；合成孔徑聲納(SyntheticApertureSonar,SAS)；干涉合成孔徑聲納(InterferometricSyntheticApertureSonar,InSAS)2.1.4合成孔徑聲納（SAS）SAS和InSAS都是基于測掃聲納的成像測量技術2.1.4合成孔徑聲納（SAS）單波束測深儀，多波束測深儀以及側掃聲納側掃聲納。分別向垂直航向方向的兩側發(fā)射聲波信號，由于信號連續(xù)覆蓋測量區(qū)域，這種測量模式的數(shù)據(jù)分辨率最高可達厘米級。提高測量數(shù)據(jù)的分辨率和增大測量覆蓋區(qū)域面積。高分辨率需要采用高頻信號或者大尺寸孔徑聲納，但高頻信號吸收衰減十分嚴重，而聲納孔徑的物理尺寸受到實際條件的約束。所以，側掃聲納一般可以分為短距-高分辨率和長距-低分辨率兩種系統(tǒng)，前者采用較高頻率信號，一般用于油井、管線、沉船等目標的測量任務，后者主要用于深海地形測量等。1965年，Wiley申請到了首個SAR的技術專利；1969年，Walsh申請了“AcousticMappingApparatus聲學定位裝置”專利，首次將合成孔徑技術應用于水下側掃聲納；70年代受阻，幾乎處于停滯狀態(tài)；1978年，Gilmour的專利使用了拖弋陣列平臺，突破了單接收器聲納的速度約束；幾乎在同時，Cutrona在理論上論證了SAS的可行性，并強調了方位向接收器陣列的重要性，這些研究給SAS技術的發(fā)展帶來了新的動力；1983年，Spiess和Anderson申請專利，利用兩個獨立接收。陣列的相位干涉測量水深度。SAS發(fā)展過程SAS技術發(fā)展過程中遇到的兩個主要的技術瓶頸：第一個問題：系統(tǒng)平臺的測繪速率問題。由于合成孔徑技術的苛刻條件，方位向進行的充分采樣與聲速較低的傳播速度，使得平臺的行進速度受到嚴格約束，測繪速率低下。通過采用方位向的陣列技術，將多個接收器在方位向組成陣列，同時接收目標區(qū)域的回波信號，提高了數(shù)據(jù)采樣率，使得測繪速率得到改善。第二個問題：平臺的隨機運動問題。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于擾動造成的系統(tǒng)平臺偏離直線路徑，僅靠平臺的導航裝置只能得到數(shù)據(jù)的較低精度運動信息，無法成功的進行合成孔徑處理。更為精確地的運動補償需要利用數(shù)據(jù)自身，比較成功的就是自聚焦等技術的引入，Eichel等在1990年申請的PhaseGradientAutofocus(PGA)技術專利。1997年7月，合成孔徑聲納研究正式列入了國家863計劃項目，李啟虎院士作為課題首席科學家主持該項目的研究工作；2002年，中科院聲學所和中船重工715所研制的湖試樣機，在浙江千島湖試驗成功，成像中還發(fā)現(xiàn)了舊的新安江河道和兩岸河堤，圖像分辨率達10cm、作用距離400m；2005年，海軍工程大學聲學技術研究室，也完成SAS試驗樣機的研制，并進行了消聲水池試驗和湖試；2008年，中科院聲學所完成了一套應用型的雙頻SAS系統(tǒng)的研制；2010年，浙江大學完成了我國第一套AUV平臺SAS系統(tǒng)；2012年，蘇州桑泰公司的國產(chǎn)SAS產(chǎn)品SharkSAS系列聲納測量系統(tǒng)，將赴阿曼探測打撈鄭和船隊遺跡。SAS發(fā)展過程（我國）蘇州桑泰SAS產(chǎn)品單波束測深儀。由于發(fā)射聲波信號的是波束覆蓋區(qū)域面積較小，航跡覆蓋為窄窄的線條，因此這種測量方式工作效率較低，且很容易漏掉待測的小目標，基本用于單點水深測量。多波束測深儀。為增大數(shù)據(jù)覆蓋密度，在波束數(shù)目增加時，需要縮短信號的時間周期，容易產(chǎn)生回波混淆的情況，此外，處于兩端的波束，由于較低的掠射角，測量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。SAS利用小孔徑聲納陣列，通過對各個方位的回波信號進行相應的處理，合成得到等效的虛擬大孔徑，從而獲得目標區(qū)域的高分辨成像。利用小孔徑基陣的移動來獲得移動方向（方位方向）上大的合成孔徑，從而得到方位方向上的高分辨率。其工作模式為：合成孔徑聲納（SAS）聲納基陣應具有足夠帶寬，以便確保成像具有足夠高的距離分辨率。當中心頻率較低時，基陣相對帶寬一般較大，增加了研制難度。目前通常采用匹配層等技術實現(xiàn)寬帶聲納基陣。這種方位向上的高分辨率是距離無關的，這是傳統(tǒng)的側掃聲納系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。傳統(tǒng)側掃聲納與SAS圖像分辨合成陣列，即通過合成多個換能器的信號獲得更大孔徑更高分辨率數(shù)據(jù)。如果合成陣列成像平臺在采樣時的前行速度是固定的，運動時間內所觀測的場景不變的話，就可以通過合成方法得到一個等同的任意長度的孔徑，其分辨率為合成陣列L為合成孔徑。對于條帶式系統(tǒng)，L的取值有一定的限制。其中，R為到目標點的距離。分辨率與距離和波長成正比，與孔徑長度成反比。實用過程中的合成孔徑長度由波束寬度決定，如合成陣列即可以得到條帶式合成孔徑系統(tǒng)的分辨率為成孔徑系統(tǒng)的方位向分辨率與目標距離和成像頻率無關，這就可以實現(xiàn)長距離低頻率獲得高分辨率成像的可能，這是真實孔徑系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。其中，D為基陣孔徑。成像算法。SAS成像是一個反演問題，是從接收器獲得的回波信號推算觀測區(qū)域的水底:反射率圖像。最簡單的成像算法是，時間域相關方法，通過使用簡單的相關處理，即可以獲得SAS圖像。具有原理簡單，適應不同幾何成像關系系統(tǒng)的優(yōu)點，但是計算量大，類似的還有后向投影等方法。為了提高算法的效率，利用高效的FFT方法改進SAS成像算法效率，這類成像算法主要包括使用方位向一維FFT變換的距離-多普勒方法（RD）和距離向與方位向二維FFT變換的波數(shù)方法等。SAS技術研究：運動補償問題。由于合成孔徑處理要求SAS平臺直線恒速行進，這種要求在實際的數(shù)據(jù)采集過程中是無法滿足的。獲得清晰的高分辨率SAS圖像，則必須要對平臺行進路線的偏離進行補償糾正。SAS平臺一般裝置有慣性導航以及其它輔助導航工具等，如果要滿足清晰成像的要求，偏移量的測量誤差就需要控制在波長/弧秒的范圍內，這對于導航工具來說是無法完成的，還要借助數(shù)據(jù)自身。SAS技術研究：實際處理時,一般將運動補償分為粗運動補償（CoarseMOCOMP）和細運動補償（FineMOCOMP）（或稱為微導航）兩個部分。前者主要是利用導航工具獲得的數(shù)據(jù)信息進行糾正,而后者則是在前者處理的基礎上，利用數(shù)據(jù)自身的自聚焦方法進一步進行補償糾正，從而最終獲得清晰的SAS圖像。SAS技術研究：SAS圖像處理。關于SAS數(shù)據(jù)的圖像處理，主要圍繞目標探測、圖像分類、變化檢測以及圖像特征的研究。與傳統(tǒng)聲納圖像相比，SAS數(shù)據(jù)自身寬波束和低頻率的特點，使得二者直觀上呈現(xiàn)差異。進行SAS圖像分類、目標探測，包括礦藏、管線、沉船等。SAS技術研究：SAS成像方法的缺點是必須保持回波信號的相位相干性。如果回波信號不具相干性，SAS圖像將嚴重降質。避免這一情況的出現(xiàn)，需要滿足嚴格的運動和采樣限制條件。此外，其它缺點還有，數(shù)據(jù)處理負擔和系統(tǒng)復雜性，隨著計算機硬件設備的發(fā)展、處理能力的提高，計算處理上負擔已不再是主要瓶頸問題。缺點實際處理過程中，主要流程和InSAR的處理過程類似，先將SAS圖像對經(jīng)過圖像配準后生成干涉圖，再進行相位解纏獲得真實干涉相位，進而計算觀測區(qū)域的地形信息。SAS與SAR的區(qū)別1）電磁波在空氣中的傳播速度約為3.8×108m/s，聲波在水中的傳播速度約為1.5×103m/s。為了保證回波數(shù)據(jù)的相干性，需要嚴格限制單接收器SAS平臺的前行速度，實際上很難保證SAS平臺這種穩(wěn)定的低速運動的，SAS系統(tǒng)一般采用接收器陣列的方法解決。2）大氣中電磁波信號的衰減主要取決于天氣狀況，且對SAR的影響微乎其微。水中聲波信號的吸收情況則要明顯得多，主要取決于水體黏度和其化學過程，對于給定頻率的聲波信號，其有效的作用距離基本可認為是固定的。3）大氣中電磁波的傳播速度是可以精確測定的，而水體中聲波的傳播速度因水下復雜的環(huán)境而波動變化的，速度值會隨著深度、溫度以及鹽堿度的不同而變化，這種變化的雙程影響可能會使傳播路徑達到約2%的測量誤差，最終可能會導致SAS圖像散焦以及影響定位精度。4）星載SAR平臺由于距離地面高度較大，成像區(qū)域的掠射角變化范圍較小，而SAS系統(tǒng)的相對垂距可能較小(幾十米)，掠射角變化范圍大，水底地形起伏對成像結果的影響相對更大。5）星載SAR平臺由于衛(wèi)星軌道設計，平臺行進平穩(wěn)，軌道定位精度一般都很高;SAS系統(tǒng)相比稍差，平臺行進易受干擾，水下的導航定位設備精度不高，進行系統(tǒng)的運動補償處理對于SAS成像必不可少。6）關于干涉測量，相比于SAR系統(tǒng)，SAS系統(tǒng)屬于單過次觀測，而且基線較短，以及水下的復雜噪聲環(huán)境，使得數(shù)據(jù)的相干性變得更為復雜;此外，水下先驗地形數(shù)據(jù)的缺失，也是進行SAS干涉測量需要考慮的問題。常見合成孔徑聲納型號合成孔徑聲納是通過小的孔徑及其運動形成等效大孔徑。合成孔徑聲納具有如下特點：(1)分辨率高且與距離無關，因而可以對遠距離目標高分辨率成像；(2)可以工作在低頻頻率上，因而具有一定的穿透性，適合海底地質勘探；(3)點目標信噪比有較大改善，適合于漫散射背景下點目標檢測，故適合于混響背景下水雷探測，尤其是沉底雷的探測；(4)分辨率相等條件下，測繪速率一般高于側掃聲納。SAS采集的海底沉船圖像干涉合成孔徑聲納（InterferometricSyntheticApertureSonar,InSAS）是一種新型的水下成像技術。它是在合成孔徑聲納的基礎上通過增加一副接收陣，得到兩幅合成孔徑聲納圖像，通過比相測高的方法得到場景的高度信息，從而得到場景的三維圖像。InSAS兼?zhèn)淞撕铣煽讖铰暭{分辨率和成像距離與工作頻率無關的優(yōu)點，并具有測深精度高的優(yōu)點，對數(shù)字海洋開發(fā)具有重要意義。2.1.5干涉合成孔徑聲納（InSAS）干涉合成孔徑聲納（InSAS），采用垂直的接收器陣列，陣列之間通過回波的時間延遲之差（相位差），用來推導接收回波的方向，進而計算反射點的位置。干涉測量示意圖處理過程基本劃分為四部分:。1.原始數(shù)據(jù)處理。即將接收器陣列獲得的原始回波數(shù)據(jù)和系統(tǒng)平臺的導航信息，經(jīng)過運動補償、合成孔徑處理，得到高分辨率的SAS圖像數(shù)據(jù);2.