多波束侧扫声纳的再认识

摘 要：多波束侧扫声纳能有效地防止近程和高速扫测时目标遗漏，但国内多波束侧扫技术研究不充分，工作机理分析得不够透彻，且在高速扫测时存在图像质量下降的问题。论文揭示了多波束侧扫声纳工作原理的本质，指出它是采用真实孔径实现合成孔径成像这一重要事实，运用合成孔径声纳的相关理论，讨论了多波束侧扫声纳系统参数的设计，并在合成孔径声纳成像算法的基础上，得到了多波束侧扫声纳逐线成像算法，新算法可以有效地补偿波前弯曲。点目标的仿真结果验证了理论分析和算法的有效性。

关键字：多波束侧扫声纳；方位向线分辨率；合成孔径

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引言

侧扫声纳是利用入射声波在物体表面的散射原理获取水底地形地貌特征，提供水底形态直观声学图像的水声设备［1］，可以广泛应用在海洋勘测、水雷探测和打捞沉船飞机残骸等水下探测活动上。
相比传统侧扫声纳，多波束侧扫声纳沿方位向形成多个平行的波束，一发多收，提高了信号的空间采样率，很好地解决了近程和高速拖曳情形下目标丢失的“灯下黑”现象。近年来，美国 L-3 Klein公司的 Klein 5900、Klein5000_V2 多波束侧扫声纳代表了世界侧扫声纳发展的最前沿水平［2］，可以得到高质量的图像。但国内多波束侧扫技术研究不充分，工作机理分析得不够透彻，且在高速扫测时存在图像质量下降的问题。
' F5 w9 C. }+ w7 Z7 ~本文通过对设计出的多波束侧扫侧扫声纳系统进行点目标的回波仿真，分析了多波束侧扫方位向线分辨率的仿真结果与理论值的差异，将多波束侧扫成像与合成孔径成像建立联系。


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多波束侧扫声呐及其设计

& L4 z4 F. V% d4 y2.1 单波束侧扫声纳
声纳的波束形状如图 1 所示，波束宽度［3］与方位向线分辨率［4］分别为 其中 λ，L 分别为波长和阵长。R 为距离向探测距离。

) _- I) u0 B4 {8 p+ t& ]2.2 多波束侧扫声纳
通过改变声纳接收基阵的阵长使得接收波束的形状变为分段的拼接状［5］，在方位向形成多个平行的接收波束，如图2所示一共将接收波束在距离向上分成了三段。
8 Q8 n; a6 P3 {7 |多波束侧扫将比单波束侧扫在近程拥有更大的扫测区域。在第一个距离区间内，将四个波束拼接；在第二个距离区间内，将两个波束拼接。理想情况下，该多波束在扫测的 80m 距离范围内，能有效地防止近程和高速扫测时目标遗漏。

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2.3 多波束侧扫声纳与合成孔径声纳
如图3所示，多波束侧扫声纳本质上是用真实孔径来替代合成孔径声纳基阵的匀速直线运动［6］。

其中 λ ，D 分别为波长和发射阵尺寸，R 为距离向探测距离。由于多波束侧扫声纳波长很短，合成孔径长度小于阵长。由于不同距离所需的合成孔径长度是不同的，近距离时沿轨方向完整合成孔径长度的区间大，随距离增加，这个区间逐步缩小，远距离时只有在接收阵中间（假定发射阵也位于中间）位置的点（图 3中的 C点）才是完全孔径，偏离中心的点都不是完全合成孔径。

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( @; k1 H. q8 k2 k因此多波束侧扫声纳只有近距离中间波束才能得到发射阵长一半的方位向线分辨率，旁边的波
- q4 ~" u& a5 R2 {# M' x! F, T束分辨率将下降。因此合成孔径声纳设计的方法可以指导多波束侧扫声纳的设计。


; u4 D  ^0 ?1 T' u2.4 多波束侧扫声纳系统设计
2 c8 _' y' `( ]! O$ o系统设计分为阵的设计和相关参数的设计［5］，其中阵的设计是关键，尽管可以照搬 Klein 5000或5900 的阵形参数，但并不知道其设计方法。通过合成孔径知识可以得出如下的参数设计指导准则：1）发射阵长
% U3 d8 U. s" J- f发射阵长由最近处的方位分辨率给定：

' M$ ~' m  A+ m1 d2）接收阵的长度
6 Q) x. R- E) s8 M总接收阵长为
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3）接收子阵的阵长
: H4 W# P! n( y$ k为了满足空间采样率要求，子阵阵长至多等于发射阵阵长，此时相当于奈奎斯特采样率为1倍带宽（复采样），实际应用中略小于发射阵。本文以Klein 5900多波束侧扫声纳［7］验证相关设计。
* L# Z& @+ r3 A" B+ |+ }% k2.4.1 相关参数的设计
声纳工作频率 f0 为 600kHz；最大探测距离Rmax 为102m；声速 c 为1500m/s；拖曳速度 v 为6m/s；脉冲重复周期 PRI 为 0.136s；发射的信号形式为LFM-chirp 信号；信号带宽 B 取 18.75kHz；脉冲宽度取16ms。
. `* u1 S' Y0 g2 m! s" X2.4.2 阵的设计
4 X; V& a3 N- l, K% [多波束侧扫声纳收发信号的方式为一发多收。根据波束宽度式（1）及 Klein 5900 的相关参数，计算出总接收阵长 L 为1.8m，阵元个数 N 为18个，尺寸 Dr 为 0.1m。将发射阵设计在基阵的中心位置，尺寸 Dt 为0.12m。阵的设计如图4所示。

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仿真与结果分析

利用设计好的基阵进行点目标回波仿真，假设声纳只接收一个脉冲信号且采用“停走停”模型［4］，将点目标放在波束中心位置，观察距离向探测距离R为 20m、40m、80m三处点目标的回波仿真结果，再利用距离多普勒（RD）算法［8~11］对回波数据进行距离徙动校正［12］，得到点目标的图像，最后从点目标的方位向剖面图中得到方位向线分辨率。

3.1 仿真结果
1 q/ `* E  T& e- m. V7 q图5为探测距离 R = 20m 处的点目标回波图。

查看回波矩阵数据可知道接收到回波信号的子阵个数。再对 R 为 40m、80m 的点目标进行仿真，接收到回波的子阵个数如表1所示。

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; Z5 i3 a1 E  q" G+ ~5 R7 ]
4 u( a3 Y8 C* }' J  Z利用 RD 算法补偿波前弯曲得到 R=20m 处的点目标图像及其方位向剖面图，如图6、7所示。量取图6中图像在-3dB处的主瓣宽度［3］，该宽度对应R=20m处的方位向线分辨率 ρ =0.07m。同样用 RD 算法对 R 为 40m、80m 的点目标回波数据进行处理，得到不同探测距离处的方位向线分辨率。
3.2 仿真结果分析
表 1 的结果表明，当探测距离 R 不同时，接收到回波信号的子阵个数不同，接收总阵长也不同。多波束侧扫声纳的接收总阵长对应合成孔径长度，由于不同距离所需的合成孔径长度是不同的，结果应证了多波束侧扫声纳是用真实孔径替代合成孔径声纳的合成孔径这一本质。

表2的结果表明，不同距离处的方位向线分辨率都为 8cm，符合合成孔径成像的理论，线分辨率没有达到发射阵长的一半 6cm 是由于空间采样率不高。

2 `/ Y" A0 O8 m5 ?& d. ^& F& H  h图7为补偿波前弯曲后的点目标图，证明了合成孔径成像算法对多波束侧扫声纳成像的有效性，在RD成像算法的基础上修改后得到多波束侧扫声纳逐线成像算法。点目标的仿真结果验证了理论分析和算法的有效性。

结语

多波束侧扫声纳本质上是利用真实孔径实现合成孔径，可以用合成孔径相关理论指导其设计，且可以用合成孔径成像算法实现其成像算法，且性能更优。