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《海洋技術(shù)學(xué)報(bào)》2016年第二期
摘要:
合成孔徑聲納技術(shù)逐漸成為海底探測(cè)領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向,其在地貌成像、沉底和掩埋小目標(biāo)成像、海底管道探測(cè)等方面的應(yīng)用均取得重要進(jìn)展。文中系統(tǒng)闡述了合成孔徑聲納技術(shù)的工作原理和研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)介紹了雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合海底管線(xiàn)探查案例,詳細(xì)分析了該設(shè)備的應(yīng)用情況,并與淺地層剖面儀實(shí)際獲取的圖像進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了雙頻合成孔徑聲納在海底探測(cè)中的適應(yīng)性和探測(cè)能力,最后對(duì)該技術(shù)的研究與應(yīng)用方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:
合成孔徑聲納;海底探測(cè);掩埋目標(biāo)
海洋科學(xué)研究、海洋探測(cè)、海洋資源開(kāi)發(fā)是海洋活動(dòng)的三大主題[1]。海底聲學(xué)探測(cè)作為海洋探測(cè)的技術(shù)手段之一,在海洋權(quán)益維護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋油氣開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮著重要作用。隨著水下導(dǎo)航和高速數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的快速發(fā)展以及多子陣成像和運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)等方面的研究工作不斷取得新的進(jìn)展,合成孔徑聲納研究亦取得快速發(fā)展。在水下無(wú)人移動(dòng)平臺(tái)、水下拖曳平臺(tái)等多種平臺(tái)應(yīng)用均取得重大成功;在地貌成像、沉底小目標(biāo)成像、掩埋小目標(biāo)成像、海底管道探測(cè)、海底光纜探測(cè)等多種任務(wù)中均取得重要進(jìn)展。
1合成孔徑聲納技術(shù)概述
合成孔徑聲納(SAS)的思想來(lái)自合成孔徑雷達(dá)(SAR)。1951年6月,美國(guó)GoodyearAero-spaceCo.的CarlWiley等人[2]提出了使用頻率分析方法可以提高雷達(dá)的方位向分辨率。此后,SAR技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,已相當(dāng)成熟,并取代了傳統(tǒng)側(cè)視雷達(dá),成為軍事和民用方面的重要觀測(cè)手段[3]。但由于聲波傳輸速度比電磁波低、水下環(huán)境惡劣、載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等原因,合成孔徑技術(shù)在聲納上的發(fā)展滯后于雷達(dá)[4]。1967年,美國(guó)Raytheon公司提出合成孔徑技術(shù)可以應(yīng)用到水聲信號(hào)處理中。1969年,Walsh[5]首先公開(kāi)發(fā)表了關(guān)于SAS系統(tǒng)的論述。1973年,Sato,Ueda和Fukoda[2]公布了第一次SAS水池試驗(yàn)結(jié)果。Willimas[6]于1976年,Christoff等人[7]于1982年,Gough和Hayes等人[8]于1989年的試驗(yàn)表明水聲信號(hào)的相干性能滿(mǎn)足合成孔徑成像的要求,使用多子陣的方法可以突破聲速對(duì)載體運(yùn)動(dòng)速度的限制。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,SAS已經(jīng)成為水聲信號(hào)處理的熱點(diǎn)之一。國(guó)際上已出現(xiàn)了多種不同型號(hào)的SAS系統(tǒng)樣機(jī),如5個(gè)歐洲國(guó)家參與研制的SAMISAS、Raython公司的DARPASAS、法國(guó)湯姆遜公司的IMBAT3000SAS、法國(guó)IXSEA公司的SHADOWSAS和新西蘭Canterbury大學(xué)的KiwiSAS[9]等。在此基礎(chǔ)上,美國(guó)和歐洲國(guó)家推出了一系列商用合成孔徑聲納產(chǎn)品,美國(guó)、法國(guó)、挪威和瑞典海軍也陸續(xù)開(kāi)始裝備合成孔徑聲納作為反水雷裝備,典型產(chǎn)品包括瑞典FOI研制的SAS、挪威FFI研制的SAS、法國(guó)IXSEASAS、意大利NATONURCSAS、美國(guó)CSSSAS等。但從公開(kāi)的文獻(xiàn)調(diào)研看,國(guó)外尚沒(méi)有推出雙頻合成孔徑聲納設(shè)備。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所在科技部“863”計(jì)劃課題的支持下,于1997年啟動(dòng)對(duì)SAS的研究,經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,在理論和技術(shù)上取得了很大進(jìn)展,先后研制了高頻系統(tǒng)、低頻系統(tǒng)樣機(jī)。2013年,在海洋公益專(zhuān)項(xiàng)支持下,進(jìn)行雙頻合成孔徑聲吶研制,在高頻和低頻合成孔徑成像技術(shù)集成的過(guò)程中解決了重量、體積、功耗、雙頻同步工作、可靠性和穩(wěn)定性等一系列關(guān)鍵問(wèn)題,完成了雙側(cè)雙頻系統(tǒng),并進(jìn)行了多次湖上和海上試驗(yàn),取得了清晰的水底成像結(jié)果。
2合成孔徑聲納成像原理
合成孔徑聲納(SAS)是一種用于水下的主動(dòng)式高分辨率聲波成像技術(shù)[10],解決了側(cè)掃聲納方位向分辨率和基陣孔徑尺寸、工作頻率的矛盾,但信號(hào)處理過(guò)程比側(cè)掃聲納復(fù)雜。SAS通過(guò)小孔徑基陣在方位向的移動(dòng),合成一個(gè)虛擬的大孔徑,從而得到比基陣孔徑高的方位分辨率。由于虛擬孔徑與距離成正比,方位向的理論分辨率與距離和頻率無(wú)關(guān),只與基陣孔徑有關(guān)。SAS可以工作在比側(cè)掃聲納低的頻率,以獲得分辨率和穿透性的結(jié)合,可用于探測(cè)掩埋目標(biāo)。示意圖如圖1所示。SAS高分辨率包括高距離向分辨率和高方位向分辨率兩個(gè)方面。高距離向分辨率通過(guò)脈沖壓縮獲得,而高方位向分辨率通過(guò)合成孔徑原理獲得[11]。
2.1方位向分辨率當(dāng)聲納發(fā)射窄脈沖信號(hào)時(shí),距離向分辨率取決于發(fā)射脈沖時(shí)間寬度。式中:c為聲速;Tc為脈沖時(shí)間寬度。可通過(guò)使用較小的Tc來(lái)獲得較高的距離向分辨率。但由于Tc過(guò)小時(shí),發(fā)射信號(hào)能量過(guò)小,以至于不能保證聲納的作用距離。為了解決這對(duì)矛盾,SAS發(fā)射時(shí)間寬度較寬的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)。對(duì)回波進(jìn)行匹配濾波處理,可以得到一個(gè)能量集中的窄脈沖,從而獲得該窄脈沖決定的距離分辨率。式中:f為信號(hào)頻率。從上式可以得出,聲納基陣孔徑越大,信號(hào)頻率越高,方位向分辨率越高。但基陣孔徑越大成本越高越難實(shí)現(xiàn),且載體平臺(tái)也會(huì)限制基陣孔徑,因此很難通過(guò)安裝很大尺寸的陣列孔徑來(lái)獲得高分辨率。頻率越高,海水對(duì)信號(hào)的吸收越大,從而限制聲納作用距離。此外,當(dāng)目標(biāo)距離越大時(shí),方位向分辨率越低,很難在遠(yuǎn)距離處得到高的分辨率。合成孔徑聲納技術(shù)使用真實(shí)孔徑的運(yùn)動(dòng),在多個(gè)位置發(fā)射和接收信號(hào),通過(guò)相干處理合成一個(gè)虛擬的較難實(shí)現(xiàn)的大孔徑,從而獲得比真實(shí)孔徑高的分辨率[12]。對(duì)于距離為r的目標(biāo),聲納波束的照射寬度為。可見(jiàn),與側(cè)掃聲納不同,SAS的方位向分辨率理論上與信號(hào)頻率、目標(biāo)距離無(wú)關(guān),完全由基陣尺寸決定。且基陣尺寸越小,方位向分辨率越高。這是因?yàn)椋嚦叽缭叫。ㄊ綄挘繕?biāo)接收回波信號(hào)的時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的合成孔徑越長(zhǎng)。方位向分辨率的極限為λ4。所以相比側(cè)掃聲納,SAS可以使用更低的信號(hào)頻率,獲得更高的方位向分辨率。但SAS也存在著運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償要求高、測(cè)距測(cè)速矛盾突出[13]等問(wèn)題,因而應(yīng)用還沒(méi)有SAR成功。
2.2距離向分辨率一般來(lái)講,當(dāng)采用窄脈沖發(fā)射信號(hào)時(shí),聲納的距離向分辨率與脈沖寬度成正比,即ρr=cτ/2,其中c為聲速,τ為脈沖寬度。這種情況下,可以通過(guò)發(fā)射更窄脈沖來(lái)提高距離向分辨率。但脈沖太窄,為了保證信號(hào)的強(qiáng)度,對(duì)發(fā)射功率要求很高。通常,采用寬帶線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)作為發(fā)射信號(hào),通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理,來(lái)得到高的距離向分辨率。如果調(diào)頻信號(hào)帶寬為B,距離向分辨率ρr=c/4B。在進(jìn)行SAS成像之前,首先需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮,得到距離向高分辨的距離壓縮信號(hào)。脈沖壓縮有兩種處理方法,一種方法是對(duì)回波信號(hào)去載頻,變成基帶信號(hào),然后再做脈沖壓縮;另一種方法是,在載頻上直接作脈沖壓縮。
3雙頻合成孔徑聲納設(shè)備
前已述及,SAS可用于水底二維高分辨率成像[11]。由于能工作在比側(cè)掃聲納更低的頻率,SAS可以獲得更遠(yuǎn)的傳輸距離,從而獲得較高的測(cè)繪效率,且聲波信號(hào)穿透性較強(qiáng),能夠用于探測(cè)掩埋目標(biāo),由于這一特性,使得進(jìn)行雙頻合成孔徑聲吶研制成為可能。雙頻合成孔徑聲納技術(shù)是在高頻段使用大的帶寬和脈寬信號(hào),通過(guò)脈沖壓縮的方法得到距離向高分辨率,低頻段則是利用較低頻信號(hào)在水聲信道中較低衰減的特點(diǎn)和較好的穿透特性,從而保證了在不喪失方位向分辨率的同時(shí)又具有較大的作用距離和對(duì)掩埋物體的探測(cè)能力。并且雙頻合成孔徑聲納的雙頻同時(shí)成像,便于對(duì)水下物體存置特性進(jìn)行比對(duì)分析,能夠滿(mǎn)足水下監(jiān)測(cè)陣、光纜、電纜等探測(cè)任務(wù)的需求。本文提到的雙頻合成孔徑聲納(DF-SAS)是海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“海底管道探測(cè)技術(shù)集成及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與示范應(yīng)用(201305026)”資助集成研發(fā)的聲納設(shè)備。該設(shè)備利用實(shí)孔徑基陣的運(yùn)動(dòng)合成虛擬的大孔徑以提高探測(cè)分辨率的水聲成像設(shè)備,它集成了高、低頻合成孔徑聲納,目前測(cè)量船加裝的設(shè)備工作在拖曳模式下,已經(jīng)進(jìn)入海試以及示范應(yīng)用階段。該雙頻合成孔徑聲納除了高低頻雙頻段工作之外,其最大探測(cè)深度超過(guò)了水下1000m,其拖曳深度達(dá)到了水下1000m,聲納拖魚(yú)由拖曳母船供電功耗僅為500W,拖魚(yú)長(zhǎng)2.5m,直徑0.5m,最大探測(cè)距離雙側(cè)600m,探測(cè)分辨率可達(dá)5cm×5cm。針對(duì)掩埋物體,雙頻合成孔徑聲納可以探測(cè)掩埋深度不大于5m的線(xiàn)狀目標(biāo),目前實(shí)驗(yàn)證明的掩埋物最小直徑8cm。其工作示意圖如圖3所示。此外,雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納還集成了高精度差分GPS以及水下超短基線(xiàn)定位設(shè)備。
4雙頻合成孔徑聲納在海底探測(cè)中的應(yīng)用及效果分析
雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納可以實(shí)時(shí)對(duì)海洋中懸浮、沉底及掩埋目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)成像。第一,其成像原理保證在其全測(cè)繪帶內(nèi)保持恒定的分辨率,這樣可以在較高的測(cè)繪效率的同時(shí)得到較好的測(cè)繪效果;第二,其雙頻中的低頻單元可以穿透海底泥沙等底質(zhì)對(duì)掩埋物體進(jìn)行精細(xì)成像;第三,其較高的距離向和方位向分辨率可以保證不同直徑的管線(xiàn)均能清晰成像;第四,其集成了高精度差分GPS和水下超短基線(xiàn)定位設(shè)備,進(jìn)行了海空一體化定位,可以精確給出水下目標(biāo)地理位置,并且可以實(shí)時(shí)從成像瀑布圖讀取目標(biāo)位置信息;第五,其雙側(cè)工作提高了測(cè)繪效率的同時(shí)可以做到無(wú)死區(qū)覆蓋;第六,其雙頻同時(shí)工作,由于高頻不具掩埋探測(cè)能力而低頻具備,所以通過(guò)雙頻成像結(jié)果比對(duì)可以直觀判讀海底目標(biāo)是否處于掩埋狀態(tài)。因此,基于合成孔徑技術(shù)的雙頻合成孔徑聲納可以廣泛應(yīng)用于海底地質(zhì)地貌、海底管道(掩埋、非掩埋)以及人類(lèi)活動(dòng)痕跡等,研究成果可用于海底管道安全狀態(tài)(懸空、裸露、掩埋)、海底地貌勘探、人類(lèi)活動(dòng)痕跡等的分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底目標(biāo)的布設(shè)和檢查、海底地形地貌的判別、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的鑒別和分類(lèi)、水文因素引起海底變化等,對(duì)海洋規(guī)律的探索、海洋的開(kāi)發(fā)利用以及軍事活動(dòng)都具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。為了驗(yàn)證DF-SAS的探測(cè)效果,我們選取海底管線(xiàn)密集的油田區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前,對(duì)試驗(yàn)區(qū)海底的管線(xiàn)情況進(jìn)行了解,對(duì)管線(xiàn)的位置和埋深,哪里有裸露管線(xiàn)等基本掌握,有針對(duì)性地布設(shè)試驗(yàn)測(cè)線(xiàn)。在實(shí)際的海底管線(xiàn)探查實(shí)驗(yàn)中,首先采用雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納對(duì)海底管線(xiàn)進(jìn)行探查,然后根據(jù)分析結(jié)果,在認(rèn)為的管線(xiàn)裸露區(qū)用攜帶聲學(xué)前視聲納和光學(xué)攝像的ROV進(jìn)行探查確定裸露管線(xiàn),對(duì)認(rèn)為的掩埋管線(xiàn),使用淺地層剖面儀進(jìn)行管線(xiàn)探測(cè),以驗(yàn)證管線(xiàn)的存在及埋藏深度。試驗(yàn)完成聲納數(shù)據(jù)與傳感器定位數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的融合,能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)300m,雙側(cè)600m的測(cè)繪寬度,該范圍內(nèi)成像清晰。試驗(yàn)結(jié)果表明,DF-SAS具有良好的管線(xiàn)探測(cè)能力,對(duì)至少埋深2m的海底管線(xiàn)能形成清晰的連續(xù)圖像,并可進(jìn)行持續(xù)追蹤。圖5為雙頻雙側(cè)合成孔徑聲納成像結(jié)果和淺地層剖面儀驗(yàn)證的比對(duì)結(jié)果。圖6為石油鉆井平臺(tái)附近管線(xiàn)成像圖,由于平臺(tái)下方部分區(qū)域未掩埋而是采用壓塊壓置,從圖中可以清晰反映。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙頻合成孔徑聲納主要有兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),一是對(duì)目標(biāo)的分辨能力與距離和采用的聲信號(hào)頻率無(wú)關(guān),因此既可以采用高頻信號(hào)進(jìn)行高分辨率成像,也可以采用低頻發(fā)射信號(hào)進(jìn)行掩埋目標(biāo)的探測(cè);二是可以采用小尺度的聲納基陣獲得高分辨率的目標(biāo)圖像,且方位向分辨率在全測(cè)繪帶上保持恒定高分辨率,不受作用距離影響。該設(shè)備兼具高分辨率的特點(diǎn)和沉底、半掩埋、掩埋管線(xiàn)的探測(cè)能力,是掩埋管線(xiàn)探測(cè)的理想手段。
5結(jié)論
鑒于合成孔徑聲納在國(guó)防領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景,世界各主要海洋國(guó)家均在大力發(fā)展合成孔徑聲納技術(shù)。雙頻合成孔徑成像聲納采用雙頻高分辨率合成孔徑成像技術(shù),是一種新機(jī)理水下成像技術(shù);通過(guò)雙頻聲圖對(duì)照,可以有效地判斷海底目標(biāo)的尺寸以及掩埋狀態(tài)。海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“海底管道探測(cè)技術(shù)集成及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與示范應(yīng)用(201305026)”集成研制的雙頻合成孔徑聲納是對(duì)合成孔徑聲納技術(shù)的成功實(shí)踐和應(yīng)用。該設(shè)備在海底管道探測(cè)試驗(yàn)中,對(duì)掩埋的海底管道和電纜等目標(biāo)均能清晰成像,并且發(fā)現(xiàn)管道壓塊等目標(biāo),驗(yàn)證了雙頻合成孔徑聲納對(duì)于海底目標(biāo)和掩埋物體的探測(cè)能力。本雙頻合成孔徑聲納探測(cè)系統(tǒng)研制成功,首次完成國(guó)內(nèi)雙頻合成孔徑聲納的海底目標(biāo)原始數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)成像,驗(yàn)證了雙頻合成孔徑聲納成像處理技術(shù)在海底探測(cè)中的適用性。該設(shè)備將在海底探測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用,對(duì)海洋規(guī)律的探索、海洋的開(kāi)發(fā)利用以及軍事活動(dòng)都具有重要意義。
作者:楊敏 宋士林 徐棟 王小丹 單位:國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心