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合成孔径成像自20世纪50年代提出应用于雷达成像历经70年的研发已经日趋成熟成功地用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等领域。受物理环境制约合成孔径在声呐成像中的研发与应用起步稍迟滞后于雷达近年来在民用及军事领域的研究与应用进展加速。此外近年来合成孔径成像在声学无损检测、医学超声成像等领域的研发也有长足进步并扩展到其他领域如光学、微波成像等。本文简要介绍了条带合成孔径成像的原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方面的应用及发展。 二、合成孔径成像原理
条带合成孔径成像利用小孔径基阵在直线运动轨迹上均速移动并在确定位置顺序发射接收并存储回波信号。根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理合成虚拟大孔径的基阵从而获得沿运动方向的高分辨率。
在1985年的先驱奖故事中合成孔径雷达(SAR)的发明者Wiley谦逊地说我有幸想到了一个基本想法我称之为多普勒波束锐化(DBS)而不是合成孔径雷达。和所有信号处理一样有一个双重理论一个是频域解释这是多普勒分析在时域内分析系统这就是合成孔径雷达。在时间域对合成孔径成像的“合成阵列”的解释如图1所示。 图1 合成阵列原理
其中阵元或天线水平长度为L水平波束开角为θλ/L。工作频率时波长为λ。阵元行进轨迹为直线点目标与行进轨迹的垂直距离为R。阵元在位置1时目标进入波束阵元在位置N时目标退出波束。合成孔径阵元数为N合成孔径长为DR×θR×λ/ L合成孔径波束开角为θsynλ/Dλ/R×(λ/L)L/R。
采样结束合成孔径波束形成后处理时对不同位置的回波信号进行相干叠加需要计算阵元发射信号至目标、目标反射信号返回阵元的往返声程2R。因此合成孔径波束开角实际应为θsynλ/2Dλ/(2R×(λ/L)) L/2R。距直线轨迹垂直距离为R时合成孔径波束形成的线分辨率为δsynR×θsynR×L/2RL/2。
20世纪50年代在雷达成像中提出“合成孔径”原理时称为“多普勒波束锐化”。这时在频率域对合成孔径成像的解释如图2所示。 图2 多普勒频移原理
实孔径为D的雷达天线或声呐换能器阵元沿x轴自左至右匀速运行发射并接收位于A的点目标的回波信号。阵元速度为v在x轴上位置为xvt。
回波信号的多普勒频移为
fd2v/λ×sinθ≈2v/λtanθ2v/(R0λ)x2v2/(R0λ)t ⑴
多普勒频移变化率μdfd/dt2v2/ R0λ点目标进入并退出波束的持续时间为T(R0λ/Dv)×c回波信号的多普勒带宽为BdTμ2v/D。
因此合成孔径线分辨率为
δsav/BdD/2 ⑵
极限情况θmaxπ/2fmax2v/λBmax4v/λ。
合成孔径极限分辨率为
δmaxv/Bdλ/4 ⑶
三、合成孔径雷达的发展
1951年美国Goodyear公司的Wiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率此概念最先应用在射电天文学及雷达成像。
数个月后美国伊利诺依大学及密歇根大学的研究人员独立研发了SAR。密歇根大学的研究人员于1957年给出了最早的合成孔径图像。但是由于图像质量及分辨率都不高当时几乎取消了SAR的研究计划。当时的分辨率指标是约16m现在已经进入了SAR的兴盛时期。表1给出了系统常用频率及波长范围表2列出一些星载及机载SAR成像雷达的参数。
表1 SAR系统常用频率及波长范围 注L、C及X是最常用的频带。P及L频带用于叶簇穿透、地表下成像以及生物量估计C、S及X频带用于海洋、冰层及沉陷监测X及Ku频带用于积雪监测X及Ka用于高分辨率成像。 表2 一些星载及机载SAR成像雷达的参数 四、合成孔径(侧扫)声呐的发展
海洋占据地球表面约70%的面积是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有在海洋中观测、通讯、导航、定位的工具。在海洋中可检测很多物理场如磁场、水压场、尾流场、温度场等。这此物理场的可检测距离大致与源本身尺度同一量级不能在水中远距离传递信息。而水声技术在其中扮演了重要的角色。声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息的物理场。声波与电磁波的衰减之比如下10kHz声波在水中衰减仅约1dB/km10kHz电磁波在水中衰减高达3000dB/km。
实孔径侧扫声呐(SSS)多为拖曳方式工作如图3所示。 图3 侧扫声呐拖曳工作方式及声图
最早的侧扫声呐实验是Hagemann(1958)为美国海军完成的直到1980年才解密发表。基于Hagemann的工作西屋公司(Westinghouse)在20世纪60年代初建造了第一台实用的侧扫声呐。很快侧扫声呐就成为海底调查、海底成像方面的重要工具揭示了海底上很多以往不为人知的细节。商用侧扫声呐系统最早用于海洋水下考古特别是寻找沉船。
与实孔径侧视雷达相似实孔径侧扫声呐沿运动方向有恒定的波束开角由声呐换能器的实际孔径确定侧扫声呐水平波束及声图见图4。 图4 侧扫声呐水平波束及声图
实孔径侧扫声呐技术特性可归纳为水平波束恒定角分辨率它与对波长归一化的阵长成反比θλ/L。其中阵元或天线水平长度为L工作频率时波长为λ。距离增加时水平线分辨率降低δR×θR×(λ/L)。
合成孔径(侧扫)声呐(SAS)与合成孔径侧视雷达类似利用小孔径水声换能器在直线运动轨迹上均速移动并在确定位置顺序发射接收并存储回波信号。根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理合成虚拟大孔径的基阵从而获得沿运动方向的高分辨率。与合成孔径侧视雷达相同合成孔径(侧扫)声呐沿运动方向的水平线分辨率为θsynL/2其中L为基阵长度。该水平线分辨率与频率无关可采用低频工作且与距离无关。
雷达应用电磁波在空气中的传播速度约为300000km/s声呐应用声波在水中的传播速度仅为c1.5km/s。工作距离为R、达到运动速度v时多接收子阵合成孔径声呐基阵的物理长度最小为L4vR/c每一接收子阵的水平宽度为方位向分辨率的两倍。与实孔径声呐比较种种这些因素使得合成孔径声呐的基阵体积大、质量大系统复杂程度高。
在复杂多变的海洋环境中拖体不可能严格地沿直线航迹匀速运动运动误差如图5所示。 图5 合成孔径(侧扫) 声呐运动误差
合成孔径成像要求运动误差±(λ/8λ/4)λ100kHz≈15mmλ10kHz≈150mm。对运动误差的要求更增加了合成孔径(侧扫)声呐的系统复杂性。
早在20世纪70年代中期合成孔径技术就已经尝试用于侧扫声呐。在1975年Cutrona提出了合成孔径声呐的一种设计程序建议采用多波束系统以提高拖曳方向采样率。大约在同时期Williams进行了合成孔径声呐拖曳试验。
受应用环境物理参数制约合成孔径声呐的研发与应用滞后雷达多年。应用需求不迫切也延缓了合成孔径声呐的研发。一份报告指出早期水雷对抗的目的是检测识别大型号、几何形状简单的水雷如2m长的圆柱体目标。在当时的态势下水雷对抗舰艇上装备的声呐设备在大多情况已满足需求。因而相对复杂的SAS系统并未受到充分关注。
当水雷对抗的战略战术重点转移至较浅的近沿海水域对抗目标物为较小型号、更为隐蔽的水雷及机动武器时新的需求要求声呐分辨率大幅提高。水下无人航行器(UUV)或自治水下航行器(AUV)的研发及日益拓展的应用为合成孔径声呐提供了比水面船只拖曳的拖体更为稳定、可靠的载体也促进了合成孔径声呐系统的性能改进及广泛应用。
⒈NURC浅水合成孔径声呐
北约海底研究中心(NURC)是北大西洋公约组织(NATO)下属的三个研究与技术机构之一负责NATO的海上研发支持NATO的海上作业需求。
NURC在1998年启动了水雷对抗合成孔径声呐的研发项目于2002年按NURC的高水平合成孔径声呐系统技术指标进行了国际招标。2003年1月Thales公司中标按NURC设计指标研制SAS系统Bluefin公司提供AUVIXSEA公司提供惯导系统。2006年6月在马里纳迪卡拉拉(Marinadi Carrara)区域完成了水上实验。NURC完成的浅水SAS的载体是Bluefin-21直径0.53m长3.5m由Bluefin公司批量生产供应市场该SAS的工作频率为270kHz330kHz由36个主接收阵元组成总长1.2m沿运动方向的水平分辨率为1.6cm运动补偿方案为罗经稳定DPC(G-DPC)导航系统。
⒉CSSRELIANT/SAS21系统
沿海系统站(CoastalSystemsStation,CSS)位于美国佛罗里达州巴拿马市圣安德鲁湾是美国海军的一个重要实验室。其任务为水雷战、两栖战、海上特种战、潜水及生命支持的研究、开发、测试及评估还包括沿海军事行动及其他受到特别关注的先进对抗策略研究。
CSS在2003年的报告中指出合成孔径声呐、水下自治潜器是水下研究与开发中最具有挑战性的两个项目这两个项目的有机结合将提供能力超强、应用广泛的水下成像系统。当时已有数个这样的项目在实施大多为军事应用。CSS用自已开发的SAS系统与BluefinAUV集成在2003年完成了初步实验。
CSS的AUV/合成孔径声呐系统名为RELIANT/SAS21系统据称是第一个结合了AUV及SAS技术的水雷对抗实验系统。其载体AUV的型号是Reliant由Bluefin公司开发长约3m直径约0.53m。
SAS21系统双侧、双频同时工作低频为15kHz32kHz高频为165kHz195kHz。高低频发射波形与功率独立编程控制。低频分辨率为7:62cm×7:62cm高频分辨率为2:54cm×2:54cm。
⒊HISAS1030HUGIN1000MRAUV
HISAS1030是KongsbergMaritime(KM)公司在原型机“Sensotech”的基础上研发的多子阵干涉合成孔径声呐适装于AUV。其主要技术指标为分辨率优于5cm×5cm(理论值2cm×2cm)速度为2m/s时工作距离为200m速度为1.5m/s时工作距离为275m干涉测深分辨率为5cm×5cm50cm×50cm频率范围为60kHz120kHz带宽为50kHz。2008年2月在挪威奥斯陆海湾进行了海试水深50m100mAUV高度约为25m。
五、合成孔径聚焦技术在无损检测及医学成像上的发展
自20世纪60年代末及70年代初同样是为了改善沿换能器移动方向的分辨率合成孔径原理就已经试图应用于超声成像。在20世纪七八十年代合成孔径主要是用于无损检测采用收发共置换能器如图6所示。 图6 收发共置换能器无损检测A-扫描数据采集
合成孔径聚焦技术(SAFT)利用机电扫描系统控制换能器沿预定路径移动在预定位置发射并接收试样中缺陷反射的回波信号。换能器位置、发射信号及回波信号波形全部存储在系统中。合成孔径聚焦处理程序在设定的深度内对回波信号做线聚焦(2D-SAFT)或点聚焦(3D-SAFT)处理。2D-SAFT的信噪比可以提高810dB3D-SAFT可以提高1618dB。
20世纪八九十年代SAFT主要用于焊缝无损检测还可用于薄壁及厚壁部件无损检测。图7是一个非常厚的部件壁厚325mm。采用2MHz横波斜探头探测到75mm深的裂隙。45◦斜入射探头沿钻孔内壁扫描裂隙在外壁。经破坏性探查核实裂隙深度与SAFT-成像结果符合误差±2mm。 图7 中心钻孔件与裂隙SAFT-成像
换能器线阵应用到合成孔径超声成像后有不同的实现方式。最简单的系统是合成孔径聚焦方式。其模式如图8所示换能器线阵有N个阵元每次只激活一个阵元发射接收回波信号并存储在系统中。依次由阵元1至N重复N次后由系统中调取数据相干叠加得到高分辨声图。 图8 合成孔径聚焦的发射及接收
为了提高信噪比每次可以激活M1个阵元称为多阵元合成孔径聚焦(M-SAF)其模式如图9所示。 图9 多阵元合成孔径聚焦的发射及接收(MK)
发射时只激活一个阵元线阵中的全部阵元接收回波称为“发射合成孔径”(STA)其模式如图10所示。 图10 发射合成孔径的发射及接收
为了提高声图刷新率可以应用“稀疏发射合成孔径(SparseSTA)”模式其模式如图11所示。稀疏发射合成孔径模式在每次发射时激活N/M1个阵元全部阵元接收回波信号。一帧数据采样结束后调取全部M×N个回波信号用于重建声图。 图11 稀疏发射合成孔径的发射及接收
接收合成孔径(SRA)的模式如图12所示。发射时激活全部阵元接收时将线阵分为NsN/KR个子阵。每发射一次一个接收子阵将KR个阵元接收到的回波信号叠加并存储。然后向同方向发射同样的脉冲信号其他子阵按序接收回波叠加并存储。最后调出所有子阵的回波信号相干处理形成高分辨声图。 图12 接收合成孔径的发射及接收
六、结论
自20世纪50年代至今合成孔径在雷达地面、海面成像中的研发及应用已经进入了黄金时代实际分辨率远远超出了初期的设想。但是系统误差尤其是机载雷达运动误差降低了实际能达到的分辨能力。受多变的海洋环境影响运动误差检测与补偿对提高合成孔径声呐的实际分辨率尤为重要始终是受到关注的研发课题。自20世纪七八十年代以来合成孔径成像已应用到无损检测及医疗诊断方面有效地提高了超声成像的分辨率及信噪比其研发及应用推广受到了多方关注。此外在合成孔径技术的各方面应用中3D-成像及目标自动识别与分类都是研究热点。
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【作者简介】文/孙宝申男1944年出生天津人中国科学院声学研究所研究员研究方向为声学成像本文来自《应用声学》2018年第5期参考文献略用于学习与交流版权归作者及出版社共同拥有。
作者孙宝申来源溪流之海洋人生
来源合成孔径成像的应用及发展 - RFASK射频问问
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