圖像豐富、直觀，是信息的重要來源，在空氣中主要靠光學設備獲取。盡管光波、聲波和電磁波都是信息傳播的載體，但只有聲波能在水下遠距離傳輸。對水下物體、地貌等聲學成像，用途十分廣泛。

水下聲成像設備也稱為圖像聲吶。圖像清晰是圖像聲吶最基本要求，這主要靠圖像分辨率提供保障。圖像聲吶的分辨率分為距離向分辨率和方位向分辨率。距離向分辨率是指聲波傳播方向的分辨能力，方位向分辨率是指與聲波傳播方向垂直的分辨能力。距離向分辨率決定于信號的脈沖寬度或頻帶寬度。方位向分辨率與聲吶基陣的大小（也稱為孔徑）有關。要提高方位向分辨率，可以采取加大聲吶基陣尺寸的辦法。但是加大聲吶基陣尺寸又受到基陣載體、工程實現(xiàn)等方面的限制。

用虛擬的孔徑代替真實的孔徑，可解決方位向分辨率的問題，相應的聲吶就是合成孔徑聲吶（syntheticaperture sonar，SAS）。與普通傳統(tǒng)側掃聲吶相比，SAS 的主要優(yōu)點就是它可以得到很高的方位向空間分辨能力。

SAS在水下目標探測方面，具有非常突出的優(yōu)點和優(yōu)越的性能：

①水下目標探測方面，在較寬的測繪帶內實現(xiàn)高分辨率成像，目標識別率比傳統(tǒng)聲吶大大提高。同時，由于較大的測繪效率和較高的識別率，探測平臺的出動次數(shù)和探測時間大大縮短。

②掩埋物（掩埋電纜和管線等）探測方面，SAS探測具有不可替代的優(yōu)勢。30kHz甚至更低頻段的SAS，具有很好的掩埋物探測能力。傳統(tǒng)的側掃聲吶不能工作在此頻段；而淺剖聲吶測繪條帶寬度極窄，大范圍掃測的效率遠遠低于SAS。因此，低頻SAS被認為是掩埋物探測最可行、最有潛力的手段。

一、合成孔徑聲吶成像技術

⒈合成孔徑聲吶成像算法

聲吶成像是由回波信號解算出聲吶圖像（反射系數(shù)矩陣）的過程。SAS成像算法是在SAR算法、CT成像算法、地震波反演、聲吶方位波束形成方法基礎上發(fā)展起來的。SAS成像的研究目前主要集中在條帶式（stripmap）正側視（broadside looking）場景，斜視和聚束SAS成像也開始引起研究者的注意。

SAS成像中聲波的波長通常為分米波和厘米波，與典型的 SAR 成像波長相近。由于水聲速度低，相同波長SAS對應的水聲頻率很低，如水聲信號波長1.5cm對應的頻率為100kHz、波長1.5dm對應的頻率為10kHz（水聲傳播速度取1500m/s)。頻帶足夠寬才能提高成像的距離分辨率，因為載頻低，所以SAS成像通常相對帶寬較大。因此，SAR成像中RD、CS等適合窄帶的算法，在SAS成像中很少采用。ωk是一種適合寬帶成像的頻域算法，SAS領域普遍采用。但是，SAS采用多接收子陣成像，存在空間采樣不均勻問題，需要相位修正才能完成頻域處理。

時域逐點延時相加法，是SAS最基本的成像方法，相當于 SAR 中的二維時域相關處理法。這種方法運算效率比頻域算法低得多，在實時成像系統(tǒng)中較少采用。但是時域算法對多接收子陣成像，空間采樣不均勻性影響小、處理靈活。FFBP算法是一種源于醫(yī)學影像中的快速后向投影算法，通過犧牲一定的分辨率提升運算速度?；诙S矩陣數(shù)表的時域方法，通過存儲多個事先計算好的多個二維矩陣，實現(xiàn)實時成像。該方法通過增加一定的數(shù)據(jù)存儲單元，實現(xiàn)了高速精確的實時成像。

經(jīng)過多年的發(fā)展，SAS成像算法基本成熟，可以滿足工程實際要求。

⒉合成孔徑聲吶運動補償

從SAS概念的提出到現(xiàn)在，運動補償一直是本領域關注的焦點問題。對于合成孔徑處理，“運動”既是解答又是問題。一方面，孔徑的合成依靠運動；另一方面，運動誤差（運動未按照理想模型進行而帶來的誤差）會對成像質量產生影響。運動誤差的測量、估計及補償是SAS處理中十分關鍵的問題。

該方面的研究是在借鑒SAR領域的成果之上進行的。SAS運動基本思路是按照大的運動誤差抑制由運動誤差估計及補償實現(xiàn)，殘余的運動誤差及聲波傳輸媒質不穩(wěn)定的影響可通過回波數(shù)據(jù)的相關性進一步補償。盡管從起步階段一直是關注的問題，也取得一系列研究成果，SAS運動補償研究遠未成熟。而且隨著分辨率、作用距離等需求不斷提升，工程上對運動補償要求也越來越高。

⑴基于回波的運動補償

根據(jù)理論分析，運動誤差超過波長的1/8就會對SAS成像產生明顯影響。早期SAS運動補償研究，主要集中在回波數(shù)據(jù)的相關性及其在運動補償方面的應用上。因為驗證主要依拖曳平臺進行，較少配置運動測量設備，即使配有高性能的組合慣性測量（或慣導）也達不到要求的精度。

基于回波數(shù)據(jù)的運動補償主要圍繞DPC（displaced phase center）或改進型展開。DPC方法與雷達成像中的動目標檢測相似，利用多接收子陣相鄰周期回波的重疊相位中心相位，估計出運動誤差，從而進行運動補償，相關研究也有一些成果。

通過各距離上回波數(shù)據(jù)DPC及平均處理，可以得到運動誤差估計，再將得到的估值修正各距離上回波數(shù)據(jù)，就完成了運動補償過程。這類基于回波的運動補償，在仿真試驗和實驗室水槽試驗中，可以取得較好效果。但是，對湖海上試驗數(shù)據(jù)，運動補償效果還存在魯棒性問題。與SAR不同，SAS成像具有大距離向開角的特點，空變效應明顯。非理想運動航跡產生的誤差，映射到不同距離的回波數(shù)據(jù)上，盡管變化規(guī)律相近但誤差曲線不完全相同，空變效應越大、誤差曲線差異性越大。解決空變的方法按照距離分段進行運動誤差估計及其相應的運動補償，但是分段過多會帶來誤差估計信噪比降低、各段邊緣相位連續(xù)性變差等問題。

⑵基于運動傳感器的運動補償

SAR運動平臺（如飛機、衛(wèi)星等）一般配有運動傳感器（慣導），SAR成像中通過運動傳感器進行運動補償（粗補償），并通過后續(xù)的圖像域進行自聚焦處理，對殘余誤差進行補償（精補償）。

SAS研究早期中采用拖曳試驗平臺一般不配備高精度運動傳感器。隨著SAS技術不斷發(fā)展、工程上也開始得到應用，近年來先進的SAS系統(tǒng)也開始配組合運動傳感器（如光纖陀螺儀、聲學多普勒計程儀、水下超短基線定位儀等）。另外，無人潛航器（UUV）平臺都配有慣導系統(tǒng)，可為UUV搭載的SAS系統(tǒng)提供運動測量信息，用于相應運動補償。

法國 Xblue公司采用Phins組合運動傳感器與 DPC 融合方面，一直開展相關研究，并取得一定進展。

⒊基于地理信息系統(tǒng)的圖像鑲嵌

利用SAS搭載平臺的運動測量信息生成的地理信息系統(tǒng)，可以對目標自動定位、支持自主作業(yè)航跡規(guī)劃。在地理信息系統(tǒng)中，對條帶成像后的聲圖進行鑲嵌（或稱拼接），形成大范圍的圖像。

基于地理信息的粗粒度拼接，主要利用多幅圖像的地理信息，典型的如GPS，將多幅圖像的重疊部分進行融合后拼接。其基本步驟如下：

①圖像預處理。

②構造特定分辨率的圖像矩陣，并確定各網(wǎng)點的地理信息。

③計算多幅待鑲嵌圖像各點的地理信息，并將各點的地理信息與構造的圖像矩陣進行對應，將像素值增加至相應的圖像矩陣網(wǎng)點上。

基于圖像特征的細粒度拼接，利用圖像本身的各類統(tǒng)計特性或特征進行圖像的配準和拼接。在粗拼接的基礎上，進行精細處理，可獲得更好效果。

⒋水聲環(huán)境影響

水聲信道的穩(wěn)定性、時間相關性與空間相關性以及物體聲散射特性等是合成孔徑聲吶的物理基礎。20世紀70～80年代的研究和一些實際海上測試工作，主要集中在合成孔徑技術在水下是否能夠應用方面。

試驗表明，海洋聲場的空間相干長度一般有幾十到幾百個波長，時間相干性一般有幾分鐘到幾十分鐘，能夠滿足孔徑合成的要求。

成像中聲波傳播過程受水聲信道制約是從信息傳輸?shù)慕嵌让枋?，從水聲物理的角度來說，這個過程主要受水聲環(huán)境的影響和制約。隨著SAS研究的深入和工程上的成功應用，水聲環(huán)境對成像的影響也不斷深化。水聲環(huán)境的制約是影響SAS成像質量進一步提高的關鍵因素，開展該方面的研究是十分有意義的。但水聲環(huán)境不同區(qū)域差異大，需要大量試驗支持，相關結果在圖像重建中模型修正復雜；該方面的研究的特點是高投入、高風險，若能取得實效也將高回報。

二、合成孔徑聲吶技術發(fā)展歷程

⒈國外情況

聲吶和雷達從原理到應用有很多相似之處，而合成孔徑聲吶與合成孔徑雷達，更像一對孿生兄弟，經(jīng)歷了相似的發(fā)展過程。

合成孔徑雷達于20世紀50～60年代起步，于20世紀80年代快速發(fā)展，并取代傳統(tǒng)側視雷達成為對地觀測重要手段。

SAS研究從20世紀 60年代起步，20世紀60～70年代發(fā)展緩慢，主要原因是技術實現(xiàn)上的困難問題和對技術上是否可行的認識問題。在SAS研究領域，制約其技術發(fā)展的兩個關鍵問題：①水聲信道，水聲環(huán)境（時變信道）一般比較惡劣，不同回波信號的相干性是個問題。特別是淺海水聲環(huán)境條件不理想，同空氣中電磁波工作環(huán)境相比，是更為“敵意”的媒質。這是當時主流觀點認為水聲信道太不穩(wěn)定，不適合合成孔徑處理。②聲波傳播速度比電磁波慢得多，由于方位模糊問題，使得信號空間采樣率較低，這極大地限制了 SAS 載體的運動速度，進而限制了測繪速度的提高。

在SAS研究處于低潮時期，仍有一些學者堅持不懈地探索，并進行了一系列水聲環(huán)境實驗。結果表明，水聲信號的相干性能夠滿足合成孔徑成像要求。聲傳播速度慢導致信號空間采樣率低和限制SAS載體運動速度等問題也可以通過多子陣的辦法來彌補。

進入20世紀90年代，西方主要發(fā)達國家紛紛投入巨資，針對SAS科學和技術問題開展研究工作。進入21世紀，SAS技術取得了快速發(fā)展：相關技術已達到實用水平，相應的產品和軍用裝備也已經(jīng)出現(xiàn)。

據(jù)Unmanned Vehicles和《簡氏防務周刊》報道，美國海軍把Edge Tech 4400合成孔徑聲吶系統(tǒng)裝到獵雷UUV上，作用距離提高4倍、分辨率提高36倍。該型聲吶美國已經(jīng)對外禁運。

⒉國內情況

國內SAS技術的系統(tǒng)性研究，是在國家“863”計劃的支持下開展起來的。1997年，在原國家科委主任宋健院士的倡導下，SAS正式列為國家“863”計劃項目。在李啟虎院士組織和帶領下，一支充滿活力、有創(chuàng)新精神的科研隊伍迅速組成，開始了SAS理論和技術的研究工作。

經(jīng)過多年堅持不懈，我國在SAS研究方面進步巨大。先后突破了一系列關鍵技術，研制出多型、多頻段SAS成像系統(tǒng)，技術水平達到國際先進，部分技術國際領先水平。

我國在SAS技術研究方面起步晚，但發(fā)展非?？?。中國科學院聲學研究所于“九五”“十五”和“十一五”期間持續(xù)得到“863”計劃支持。經(jīng)歷了原理和關鍵技術探索、海試樣機和工程樣機研制等階段，在關鍵技術和多型系統(tǒng)研制方面，取得了一系列重大突破。2010年底最新完成的SAS工程樣機，是世界上首次研制完成同時具備高、低頻同步實時成像能力的SAS系統(tǒng)，其各項性能指標達到國際領先水平，該系統(tǒng)在掩埋目標探測和識別方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。SAS工作在高頻段，可大幅提高成像分辨率，成為傳統(tǒng)側掃的升級換代產品。而在低頻段，它可穿透成像，實現(xiàn)對掩埋物的探測識別，填補傳統(tǒng)成像聲吶在該方面的空白。

國外SAS研究一般從高頻SAS起步， 而我國 SAS研究起步階段選擇低頻SAS作為切入點。盡管低頻SAS技術難度大、技術突破時間歷程長，但是需求更迫切。

2012年，中國科學院聲學研究所高頻型SAS和雙頻型SAS完成設計定型。此后，在SAS系統(tǒng)研究及產品化方面，取得長足進展，并在一系列國際合作、國內重大項目中得到應用，取得非常好的應用成果。2018年，中國科學院聲學研究所就三頻合成孔徑聲吶設計方法建立了首個合成孔徑聲吶國內行業(yè)標準。

通過湖上、海上試驗，取得了大量清晰水底和小目標圖像的試驗結果。許多高質量成像，遠好于國外的試驗結果。圖1為一組湖底高頻地貌精細成像。千島湖為人工湖，被淹沒前為農田，圖中可見梯田、河道、廢棄橋墩等。

（a）沒在水下的山坡和農田；（b）淹沒在水下的梯田；（c）淹沒在水下的橋墩與河道

圖1 高頻合成孔徑聲吶千島湖水下地貌成像結果

雙頻 SAS可高低頻同步成像，便于掩埋與非掩埋狀態(tài)的識別。圖2a和b分別為低頻SAS和高頻SAS對同一個區(qū)域同時成像的結果。圖2a為掩埋輸油管低頻穿透成像結果，而圖2b為同一區(qū)域高頻表面成像結果。通過兩圖比對，確定油管為掩埋狀態(tài)。

（a）低頻合成孔徑聲吶成像結果（掩埋深度1m的海底輸油管道）；（b）高頻合成孔徑聲吶成像結果（無穿透能力，看不到掩埋油管）

圖2 海底相同區(qū)域高低頻合成孔徑聲吶成像結果

三、合成孔徑聲吶技術的發(fā)展趨勢

SAS從理論研究上逐步深入，相關技術已經(jīng)在工程上得到應用。理論和技術研究的主要趨勢：

①SAS系統(tǒng)集成技術，尤其針對多頻段（高、中、低）和多平臺（拖曳、舷側、UUV等）等背景的SAS應用問題，是該技術推廣應用中的重要問題。

②緊跟電子技術的快速發(fā)展、結合主流發(fā)展的實時處理系統(tǒng)架構，不斷探索相應的高效快速成像算法，會持續(xù)提升 SAS系統(tǒng)實時處理能力及性能水平。

③運動補償技術是永恒的主題，隨 SAS性能提升會不斷提出更高要求。慣導和運動測量技術的不斷進步也會帶動 SAS運動補償技術的發(fā)展。

④與水聲物理理論研究相結合，會推動SAS研究的深入發(fā)展。目前聲吶成像信號處理一般把聲場環(huán)境假定為理想的自由場，相應的數(shù)學模型是基于該假設下得到的。理想的自由場假設，與實際聲場環(huán)境，特別是近海海洋環(huán)境差距較大。開展合成孔徑成像的水聲物理理論研究，一定會促進成像處理性能的進一步提高。

【作者簡介】文/劉紀元，中國科學院聲學研究所研究員，博士生導師，中國圖象圖形學學會視覺傳感專業(yè)委員會委員，國家“863”計劃“基于無人平臺的合成孔徑聲吶系統(tǒng)研究”項目首席專家，主要研究領域包括水聲信號處理、高分辨率水下成像技術等。文章來自《中國科學院院刊》（2019年第3期），參考文獻略，用于學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有，轉載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺整理。