声呐合成孔径干涉测量高精度测量海底地形

合成孔径声呐（Synthetic aperture Sonar，SAS）是一种新型高分辨率的水下成像声呐，其原理是利用小孔径基阵的移动来获得方向上较大的合成孔径，从而得到方位向的高分辨率。声呐合成孔径干涉测量（InSAS）在合成孔径声呐的基础上，在垂直航迹方向增加一副（或多副）接收阵列，通过比相测高的方法得到场景的高度信息，经过处理后得到场景的三维图像，其原理与合成孔径雷达干涉测量（InSAR）相似，其优点是横向分辨率与工作频率和距离无关，且比侧扫声呐横向分辨率高1～2个数量级。

　　InSAS技术在军事国防方面，能用于水下军事目标的探测和识别，在国家经济建设方面，可用于海底测量和水下考古等，尤其可进行高分辨海底测绘，对智慧地球研究具有重要意义，故该研究具有极其重要的社会效益和军事价值。

　　一、声呐合成孔径干涉测量原理

　　⒈ 基本原理

　　InSAS技术是根据声波复图像的相位来提取海床目标三维空间信息的，其基本思想是：在某平台上装载一个发声装置和垂直航迹方向的多个接收阵列，成像获取同一区域的雷达复图像对，由于接收阵列与海床目标之间的距离不等，使得在声呐复图像对同名像点之间产生相位差，形成干涉纹图，干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值，根据成像相位差与海床目标三维空间位置之间存在的几何关系以及平台的位置参数，可测定海床目标的三维坐标。

　　如图1所示，假设声呐接收阵列对海床某一区域P成像，其中两阵列的空间位置A1和A2，则其间存在空间干涉基线向量B，其长度为B，称为基线长度，基线向量B与水平方向的夹角a，称为基线倾角；θ为入射角；A1和A2至地面点P的斜距分别为r和r+Δr；H为A1到参考面的高度，Bx、By分别为基线的水平分量和垂直分量。

图1　InSAS技术的基本原理

　　从A1发射波长为λ的声波信号经目标点P反射再被A1接收，得到测量相位φ1，目标后向反射会引起相位偏移，设为φ0，则有式⑴。

　　φ1=4π×r/λ+φ0 ⑴

　　同理，对另一阵列S2，可得测量相位φ2。

　　φ2=4π×（r+Δr ）/λ+φ0 ⑵

　　由于r远大于Δr和B，利用余弦定理，Δr可近似为式⑶。

　　Δr=Bxsinθ-Bycosθ ⑶

　　于是可得A1、A2关于目标P点的相位差φ12。

　　φ12=φ2-φ1=4π×Δr/λ=4π×（Bxsinθ-Bycosθ）/λ ⑷

　　通常称为φ12为干涉相位或绝对相位差，可通过SAS图像的干涉得到。

　　对A1和A2接收到的回波信号进行SAS图像处理，就可以得到两个单视复数图像信号C1和C2，把两者进行配准并作干涉处理，可形成干涉相位图，干涉处理是把C1和C2进行复数共轭相乘运算，形成亮暗条纹相间的干涉图像，从而解出φ12，从而计算出Δr。

　　由图1几何关系可得式⑸、式⑹。

　　sin（a-θ）=[（r+Δr）2-r2-B]/2rB ⑸

　　h=H-r×cosθ ⑹

　　利用式⑷～式⑹求解未知高差h，即是海底地形点的高度。

　　⒉ 与合成孔径雷达干涉测量的比较

　　InSAR是使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，也是合成孔径雷达技术与射电天文干涉测量技术的合成。目前，国内外合成孔径雷达干涉测量技术已日趋成熟，其应用领域不断扩大，在测绘、防灾减灾和海洋探测等诸多方面发挥着越来越广泛的作用。

　　声呐合成孔径干涉测量虽然来源于合成孔径雷达干涉测量技术，但是其发展缓慢，主要原因有4个方面。

　　（1）合成孔径雷达采用的电磁波速度在空气中的变化很小，几乎忽略不计，然而声速却随着水的深度不同而发生较大变化，这种速度变化导致两方面的影响：合成孔径声呐图像不能聚集和引起定位误差。

　　（2）合成孔径声呐与合成孔径雷达成像原理几乎完全一致，但是前者的观测视角要大，因此其透视收缩、顶底倒置和阴影都有所不同。

　　（3）噪声的污染，与合成孔径雷达不同，由于合成孔径声呐处在水面上，容易受到噪声的影响，主要表现在：①测区环境的噪声，主要来自系统外部，其有可能是自然的或人造的声音；②系统内部噪声，主要包括维持平台的声音和传感器的热噪声；③多路径的影响，多路径效应是声波经过其他中间物的反射再到达目标而影响干涉测量的现象，尤其是在回响的环境里，更易出现这种情况。

　　（4）传感器的稳定性。为了得到干涉图像，传感器的位置必须是精确的。合成孔径雷达采用的是电磁波来进行测量，其速度是3×108m/s，而海水中的声波速度则是1.5×103m/s，相对于电磁波速低了许多，这也限制了声呐孔径平台的前进速度。另外，合成孔径雷达的轨道是预定的，尽管不能准确知道其位置，但误差至少在限差之内，而声呐合成孔径由于受到海潮、海浪和低速等的影响，其位置精度很难达到干涉要求。

　　二、相关理论研究现状与进展

　　由于声呐合成孔径干涉测量原理与合成孔径雷达干涉测量原理几乎一致，可采用合成孔径雷达干涉测量处理流程来处理声呐图像，故其干涉流程研究甚少；由于如前所述的不同点，目前声呐合成孔径干涉测量理论的研究现状与进展主要表现在：

　　（1）仪器平台稳定性改善研究。合成孔径声呐干涉测量较合成孔径雷达干涉测量发展缓慢，主要是因为不能解决低速下平台的运动误差。欲提高仪器平台的稳定性，一种是利用外在设备如导航仪和加速度计，但是成本较高；另一种则是算法改进，这是目前研究的热点。在1981年，Raven提出了使用等效相位中心来对声呐运动进行补偿的概念，在1991年后，专家们在此基础上提出了等效相位中心（DPCA）自聚焦算法，该算法是利用接收天线回波信号的冗余信息来得估计时间延迟，此方法主要是用来粗略估计，其原因是DPCA自聚焦算法在估计时间延迟过程中是以前一个脉冲对应的位置为基准，故随着脉冲次数的增加，估计残差将会逐渐积累，从而导致估计精度下降，为了改善此方法，又将卡尔曼滤波方法引入其中，然后以最小均方误差为最佳准则，采用随机过程的矢量模型和递归算法，获得信号和噪声的最佳分离，较好提高了对SAS运动误差的估计精度。另一种方法是条带相位梯度聚焦算法（SPGA），该算法是在相位梯度聚焦算法基础上发展而来，相位梯度聚焦算法是在20世纪80年代晚期和90年代晚期为了聚束合成孔径雷达而提出来的，该算法取得了巨大的成功，主要原因是稳健、应用广泛且不需要强反射存在，条带相位梯度聚焦算法相比于等效相位中心自聚焦算法而言，其估计精度较高，现在已应用于DARP合成孔径声呐设备的图像算法中。

　　（2）干涉数据处理过程中的影响因素研究。尽管与合成孔径雷达数据处理过程极为相似，但是由于特殊的水环境，其影响结果的因素也是不一样的。由于声呐运用在水环境中，故易受到测区环境的噪声、系统内部噪声和多路径的影响，因此在干涉处理前，需要进行噪声处理。标准的声呐合成孔径图像滤波技术主要是平均值法、中值滤波和自适应矢量滤波。对这些技术的比较和分析表明，自适应矢量滤波表现最好。加权相位差估计法是通过测量回波之间的平均相干，从而能够准确地估计每个相位估计方差和相应的权重，相比其他标准的方法这种相干加权提高了性能。小波方法已用于数据去噪，且已取得相当好的结果。在某些情况下，滤波器使用信号噪声比作为权，从而得到加权平滑滤波，加权双边滤波和加权中值滤波，比较显示，加权双边滤波相对而言去噪效果最好，且不破坏目标的边缘。但是这些方法皆没有考虑声呐技术处在不同的入射角和非均匀的环境中，尤其是声信号的性能随时间变化，故需要研究自适应滤波器，如Wiener滤波、递推最小二乘、特征值反褶积滤波、多重信号分类滤波器。

　　在得到声呐干涉相位图之后，在解缠之前还需要进行滤波，此时所用到的滤波方法跟合成孔径雷达干涉图像方法一样，而且解缠方法也几乎一样。但是，如果要进行声呐实时干涉数据处理，则在合成孔径雷达干涉相位解缠中用到的方法如枝切法、最小范数法和网络流法等无法达到实时的要求，故提出来一种优先队列和质量图引导的解缠算法；该方法能提高质量引导法的运算效率，达到了枝切法的运算效率而同时保留了质量引导法的算法稳健程度，但离实际应用有着较大的差距。

　　对合成孔径雷达干涉测量而言，大气是对干涉测量结果影响的关键因素之一。对于声呐合成孔径雷达而言，声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，有关文献依据声线弯曲的程度会随着声速剖面和距离深度比（声波倾斜角）的变化而变化，研究了在不同距离深度比时，海水折射对InSAS测深系统精度的影响，并提出了利用二分法来寻找满足特定条件的声线轨迹。根据合成孔径干涉原理可知：①基线距越短，相位对海底地形高度越不敏感；②波长越短对海底地形高度越敏感；③相位对海底地形的敏感性不如形变量的敏感性。为了保证声呐合成孔径雷达形成干涉，一般不会采用沿轨道干涉模式和重复轨道模式，而采用垂直轨道模式，当采用这种模式时，干涉基线短，且由于声呐设备离海底较近导致干涉的两个声波途径相差无几，故声线弯曲不是影响声呐合成孔径干涉最重要的因素。

　　声呐合成孔径干涉测量数据处理的问题集中在有效的噪声处理和平台稳定性算法改善方面。

　　三、设备研究现状与进展

　　随着声呐合成孔径技术的发展，许多军用和商用声呐系统纷纷推出。早期的包括DARPA、DERA和SAMI系统，目前，国外成功的InSAS有KiwiSAS，HiSAS和Aquapix等等。最成功的系统为挪威国防研究局研制的HiSAS 1030系统，该系统为了形成干涉，将两个全长接收器阵列放在两侧，每个接收器阵列由32个独立单元组成，发射机垂直于相控阵，操作频率在50～120KHz之间，通常使用30KHz，其带宽为100KHz，该系统安装在HUGIN 1000AUV上，如图2，分辨率可达2.5cm×2.5cm。

图2 HiSAS 1030和HUGIN 1000-MR AUV

　　新西兰开发的声呐合成孔径系统KiwiSAS，在1993年推出第一款，到现在共有4型，从KiwiSAS Ⅰ到KiwiSAS Ⅳ，是较早的合成孔径声呐海试样机系统。澳大利亚的Aquapix型干涉合成孔径声呐也得到了发展，200m范围内的成像分辨率可达3cm，能够提供高效费比和极高分辨率的海底成像功能。另外，其干涉型合成孔径声呐还能够提供3D海底地形，以建立精确的数字地形模型。该系统采用了合成孔径图像处理软件和微电子技术，主要用于遥控拖曳航行器、自主水下航行器、遥控航行器和拖体。

　　声呐合成孔径雷达在国内发展比较晚，且声呐合成孔径干涉测量系统研究更晚。在声呐合成孔径雷达方面，中科院声学研究所在成功研制合成孔径声呐海试样机的基础上，不断总结经验，通过改进和完善，完成了一套应用型合成孔径声呐系统。新型合成孔径声呐系统采用中、低频两个频段，用于水下悬浮、沉底和浅掩埋物的探测以及高分辨的地形地貌成像，系统操作和维护更加简便，综合探测能力进一步增强。在InSAS方面，中国海洋大学在2080年进行了水面拖曳式InSAS的研制和试验，并取得了不错的成果。海军工程大学也进行了InSAS的研制工作，其指标与国际相当，2007年起开始研制干涉合成孔径声呐海试样机，于2010年7月和8月分别进行了湖试和海试，成功获取了海底的高精度数字高程图，距离分辨率达到2.5cm，方位分辨率达到5cm，高程测量精度约为0.15cm，并在国际上率先实现了全系统的实时处理。

　　综上所述，现在国内外声呐合成孔径雷达硬件设备都得到了研究，且其测量精度也较高，但是主要应用于军事，其原因是设备昂贵，部分保障尤其是自动化尚未实现，故还须继续研究工作。

　　四、结束语

　　本文仅对声呐合成孔径尤其是声呐合成孔径干涉测量领域近年来最显著、最具特色的一些新进展进行了描述，其中有些方法和技术已得到改进。总之，声呐合成孔径干涉测量具有高精度测量的优点，故能广泛应用于海洋测量和探测，但是，欲将其有效快捷地应用于高分辨海底测绘甚至海底变形监测，在许多方面，如声呐设备平台的稳定性、图像噪声的影响消除和干涉解缠等方面，甚至新体制方面和硬件方面都还需继续深入研究。