第10卷第1期2021年1月
网络新媒体技术
Vol.10No.1Jan．2021
*
秦留洋
1，2
王朋
1
黄海宁
1
（1中国科学院声学研究所
北京1001902
中国科学院大学北京100190）
摘要：受海底沉积层回波影响，掩埋物探测及成像难于实现，针对此问题本文提出一种基于平面阵的合成孔径下视三维成像算法，
该算法采用平面阵合成孔径处理方法，可以有效地提高沿航迹方向的成像分辨率。与此同时，垂直航迹方向通过基于实孔径阵列的常规波束形成实现目标成像。仿真实验表明：基于平面阵的合成孔径下视三维成像算法沿航迹方向的成像分辨率依赖于合成孔径长度及信号的中心频率，沿航迹方向信噪比随着合成孔径长度增加而增加。另一方面，垂直航迹方向分辨率随测绘高度的增加而明显下降。采用沿航迹方向单排阵元的简化平面阵声纳进行浅海海域掩埋线缆目标的海试试验并处理了海试数据。处理结果显示，在现实的浅海水域环境下，采用平面阵布阵方式的合成孔径下视成像声纳可以对海底掩埋目标进行有效成像。 关键词：下视成像声纳，常规波束形成，掩埋物成像，合成孔径声纳成像
Downward －looking 3D Imaging Method for Buried Objects in the Seabed
QIN Liuyang 1，2
，WANG Peng 1，HUANG Haining 1
（1Institute of Acoustic ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing ，100190，China ，
2
University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing ，100190，China ）
Abstract ：Echoed sonic wave generated by the sediments will interfere the expected back －scattering signal ，which makes it more diffi-cult to achieve acoustical image of buried objects ，compared with those just in the water．The downward －looking three －dimensional underwater acoustical imaging algorithm using synthetic aperture processing based on planar array is presented to improve the perform-ance of buried object imaging in along －track direction．Meanwhile ，conventional beam forming （CBF ）based on real －aperture array is applied to the across －track direction．The simulation results show that the along －track resolution is dependent on the length of the synthetic aperture and center frequency．The SNＲof image in along －track direction improves with the increase of the length of the synthetic aperture．While the across －track resolutio
n degrades with the increase of depth of the objects．One single line of along －track array was applied to real marine environment and the sea trial data was processed to verify the effectiveness of the algorithm．The sea trial result shows that SAS based on planer array can image the buried liner object in the seabed．Keywords ：Downward －looking imaging sonar ，CBF ，Buried object imaging ，SAS imaging
本文于2018－01－28收到。
*中国科学院声学研究所青年英才计划项目资助（编号：QNYC201728）。
0引言
随着合成孔径成像声纳（SAS ）技术的不断发展［1－7］
，利用合成孔径声纳进行海底掩埋物的探测与成像
成为了近年来的研究重点
［8－10］
，相比于水中及沉底目标，掩埋物的探测与成像受到底质沉积物的散射噪声的影响，
掩埋物回波信号的信噪比较低，传统的探测及成像方法很难精确地对目标进行探测及成像。同时，
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掩埋物的底质声传播的衰减系数远高于水中传播的衰减系数，
掩埋物的探测要选择较低的频率才能进行有效的目标探测，
低频信号对水底的沉积层具有较强的穿透能力，但是低频的成像声纳很难获得较高的成像分辨率，
影响对目标的定位及成像质量。三维成像声纳技术的发展为水下目标的探测识别提供了一个有效的途径［11，12］
，采用合成孔径处理技术
对掩埋物进行三维成像
［13－15］
，对其进行多角度观察，可以有效地对目标进行探测及识别。合成孔径处理技术与传统的处理方法相比具有如下突出的优势
［3－7］
：①方位向分辨率高且与作用距离无关，可以对远距离目标进行高分辨率成像；②能够工作在低频，
在满足穿透性的前提下进行高分辨成像，适合掩埋物探测；③能够提高点目标信噪比，对于漫散射背景下点目标的检测效果良好，因而适合于混响背景下的目标特别是沉底目标的探测。
本文基于平面阵布阵方式，结合合成孔径处理技术实现水下目标的三维成像，与传统的侧视合成孔径
声纳相比，
该三维成像技术采用下视方式，不仅能够弥补侧视合成孔径声纳的正下方盲区，还能够利用轨迹的交叠，
有效利用每一帧和每一条轨迹的数据形成二维面阵实现高分辨率成像结果。在此基础上利用低频信号的穿透性，
能够实现对掩埋物的三维成像处理，获取掩埋物的深度及方位信息
。图1平面阵合成孔径下视三维成像收发模式
1
合成孔径下视三维成像算法
1．1
回波信号模型
基于平面阵的合成孔径下视三维成像声纳的模型如图1所
示，
采用平面阵均匀布阵，沿航迹方向阵元数为N ，垂直航迹方向阵元数为M 。
假设采用收发合置换能器基阵，阵元的波束开角为θ3，目
标距离声纳的垂直高度为H 0，
目标的位置坐标为（x 0，y 0，z 0），不失一般性z 0=H 0。脉冲重复周期为prt 。平面阵垂直航迹方向
的阵元个数为M ，
沿航迹方向的阵元个数为N ，根据接收阵元与目标的位置关系，可以得到第p 个脉冲下，平面阵阵元与目标的距离表示为见式（1）。
Ｒp ，m ，n =
m －M －1()2
d －x ()
2
+（（n －1）d +v （p －1）ˑprt －y 0）2+H 槡
20（1）
因此，可以得到下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延表达式表示为式（2）。
τp ，m ，n
=2Ｒp ，m ，n c （2）声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f 0，调频率为K r ，脉冲宽度为T r ，发射信号可表示为式（3）。
s （t ）=rect t
T ()
r
exp ｛j （2πf 0t +πK r t 2）｝
（3）
其中rect （）表示矩形波。经过目标反射，回波信号可表示为式（4）。
s p ，m ，n （t ）=rect t －τp ，m ，n T ()
r
ˑexp ｛j ［2πf 0（t －τp ，m ，n ）+πK r （t －τp ，m ，n ）2
］｝（4）
根据得到的回波信号，对信号进行正交解调，将其下变频至基带。得到解调后的信号为式（5）。
s p ，m ，n （t ）=rect t －τp ，m ，n T ()
r
ˑexp ｛j ［2πf 0τp ，m ，n +πK r （t －τp ，m ，n ）2
］｝（5）
对其进行深度向的脉冲压缩，然后通过时域近场聚焦常规波束形成算法对回波信号进行逐点时延补偿，获
得目标的三维图像。对于点目标情况，
对称的传感器基阵的信号回波的距离徙动模型为一双曲面，如图2所示，
图2（a ）中给出了XZ 平面（垂直航迹方向和深度向平面）和YZ 平面（沿航迹方向和深度向平面），沿航24
1期秦留洋等：海底掩埋物下视合成孔径三维成像方法研究迹方向采用合成孔径处理，
YZ 平面内的距离徙动为一双曲线模型
。图2平面阵合成孔径下视三维成像声纳点目标回波信号距离徙动模型
基于平面阵的合成孔径下视三维成像声纳的工作航速限制的主要因素是①在垂直航迹方向上不产生
由于相邻帧采样重叠引起的模糊；②在沿航迹方向不产生由于欠采样引起的模糊。综合上述因素可得到工作航速应满足式（6）。
v ＜
c （N －1）d
4H
（6）
其中v 为工作航速，
c 为声速，
d 为沿航迹方向布阵间隔，N 为平面阵沿航迹方向的布阵个数，H 为最大探测距离。所以空间采样的要求限制了声纳沿航迹方向的前进速度，
进而限制了下视合成孔径声纳的测绘效率。根据公式（6），
增加沿航迹方向的布阵个数可以有效的提高下视合成孔径三维成像声纳的测绘效率。1．2成像算法
深度向处理：对回波信号进行脉冲压缩，深度向脉冲压缩通过匹配滤波实现，匹配滤波器为式（7）。
h （t ）=s *（－t ）=rect t
T ()
r
exp ｛－j πK r t 2｝（7）
深度向脉冲压缩后的信号，在深度向呈现为sinc 包络的形状，深度向脉冲压缩后信号表示为式（8）。
E p ，m ，n （t ）=s p ，m ，n （t ）*h （t ）=A 1p r （t －τp ，m ，n ）ˑw a （prt ˑp ）ˑexp ｛－j2πτp ，m ，n ｝
（8）假设回波信号的采样频率为f s ，深度向的采样间隔可以表示为式（9）。
Δz =
c 2·f s
（9）
深度向采样点数为K ，根据图2（b ）的回波信号模型下视图，平面阵在航迹方向及垂直航迹方向的成像范围表示为式（10）。
－
H 0θ32＜u x ，u y ＜H 0θ3
万能夹具2
（10）
所以平面阵近场合成孔径聚焦表达式如式（11）。
B （u x ，u y ，k ）=1
P ˑM ˑN ∑P p =1∑M m =1∑N
n =1E p ，
m ，n （k p ，m ，n ）（11）
其中k =1，2，…，K ，表示深度向采样点的索引号；P 表示合成孔径的脉冲数；M 表示平面阵沿航迹方向的阵
元数；N 表示平面阵垂直航迹方向的阵元数；k p ，m ，n 表示脉冲压缩后的回波信号的深度向索引号，
相当于时延参数，热扩散系数
表示为式（12）。k p ，m ，n
=round
2·f s
c
m －M －1()2
d －u ()
x
2
+（（n －1）d +v r （p －1）ˑprt －u y ）2+（k ·Δz ）
槡
(
)
2
（12）
3
4
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2算法仿真及性能分析
布阵方式如图1所示，信号的中心频率为f 0=15kHz ，采用线性调频（LFM ）脉冲信号，信号带宽为B w =
10kHz ，脉冲宽度T c =20ms ，声纳平台距目标的高度H =10m ，水中声速c =1500m /s ，阵元布阵间隔为0．05m ，发射阵的水平开角（3dB 带宽）θ3dB =60ʎ，目标位置坐标为（0，0，10）。当平面阵沿航迹方向布阵N =16个阵元，垂直航迹方向布阵M =2个阵元时，声纳平台运动子面阵沿航迹方向的间隔为半波长。点目bbzs
标合成孔径三维成像仿真结果如图3所示，
图3（a ）为目标三维成像XY 平面的成像结果，即沿航迹方向和垂直航迹方向的成像结果，
图3（b ）表示沿航迹方向目标的成像结果，表明沿航迹方向的目标成像分辨率约为子面阵孔径的1/2。图3（c ）表示垂直航迹方向的目标成像结果。图3（d ）为YZ 平面目标的成像结果，
即沿航迹方向与深度向的成像结果，
图3（e ）为深度向通过脉冲压缩获得的深度向成像结果，可以准确对目标进行深度向成像，
从而对水中目标进行定深
。图3点目标三维成像结果
沿航迹方向进行合成孔径处理，合成孔径
长度L sa =H ˑθ3dB 。表1为不同情况下点目标下视三维成像结果性能对比，
分析沿航迹方向合成孔径处理获得的信噪比及垂直航迹方向的
成像分辨率的随参数的改变的变化情况。表1中第1列为沿航迹方向阵元个数N ，第2列为
声纳的测绘高度H ，
第3列为沿航迹方向合成孔径的长度L sa ，第4列为子面阵由于声纳平台运动产生的间隔d ，
第5列为垂直航迹方向的表1
不同情况下点目标合成孔径三维成像结果对比储酒罐
N H /m L sa /m d /m ρx /m SNＲ/dB 21010．472λ/40．57632．89021010．472λ/20．57632．71021010．472λ0．57628．46021010．4722λ0．57625．2804
10
10．472
λ0．57632．72022020．944λ/2
1．100
39．810
成像分辨率ρx ，第6列为沿航迹方向合成孔径处理后的信噪比SNＲ。
通过分析表1中前4行可以看出，沿航迹方向有2个阵元，测绘高度为10m ，子面阵间的间隔分别为λ/4、λ/2、λ和2λ时，随着子面阵间隔的逐渐增大，沿航迹方向合成孔径处理获得的信噪比随之降低，并且在
44
1期秦留洋等：海底掩埋物下视合成孔径三维成像方法研究子面阵间隔没有超过λ/2的情况下，
信噪比下降缓慢。对应的沿航迹方向的成像结果如图4所示
。图4表1中前4行对应的沿航迹方向的合成孔径成像结果
随着沿航迹方向子面阵间隔的增大，垂直航迹方向常规波束形成处理后成像分辨率并没有明显的变化。所以采用平面阵布阵的情况下，
垂直航迹方向的成像分辨率与沿航迹方向子面阵间隔为弱相关。通过比较表中的前5行与最后一行的结果可以看出，
该方向的成像分辨率与垂直航迹方向的布阵孔径有关。表1中，第5行沿航迹方向的阵元数由2个增加
到4个，根据式（6），增加沿航迹方向的阵元数可以有效
提高声纳的测绘效率，
宫灯制作不仅如此，对比表1中第3行与第5行可以得出结论：增加了沿航迹方向的布阵个数，子面阵间隔达到一个波长时仍然可以有效的提高沿航迹方向成像的信噪比。表1中第3行与第5行沿航迹
方向的成像结果如图5所示
负压病房
。
图5表1中第3行与第5行对应的垂直航迹方向的合成孔径成像结果
表1中，第6行表示声纳测绘高度为20m ，子面阵间隔为λ/2的情况下，合成孔径随着距离目标深度的增加而增加。通过对比表1中第2行和第6行可以得到结论：沿航迹方向的合成孔径处理会由于该方向上的合成孔径的长度增加而得到更高的信噪比。由于垂直航迹方向采用基于实孔径阵列的常规波束形
成，所以随着距离目标的深度增加，
该方向的距离分辨率会随之下降，仿真结果显示测绘高度H =20m 时，垂直航迹方向的分辨率为1．100m ，
明显低于测绘高度只有10m 时的0．576m 。3海试试验数据分析
为验证算法的有效性和是否可以工作在实际海洋环境中，在某浅海海域进行了海试试验。试验水域深
度约在100m 左右，
声纳平台入水60m －70m ，探测深入30m －40m 。布阵方式选用沿航向包含4个阵元的单排阵的简化平面阵，
可以减小数据量，提高计算效率。发射信号采用线性调频信号。典型掩埋线缆目标的处理结果如图6所示。图6（a ）和图6（b ）分别给出了XY 平面和YZ 平面的成像结果。
观察两幅成像结果图可以清晰看出掩埋线缆目标。图6（a ）展示了成像结果的俯视图。左右方向为沿航迹方向，
上下为跨航迹方向，白框内部分为掩埋线缆，框外位于图片中心的长直线为船的航行中心，由于5
4
