! L0 @7 E$ f& L# q g 一、引言
3 I' } x; Z! f
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。
8 P) t& a- e; d; Y; l8 D) X3 q
5 I+ I: ^& @" U0 b. v4 L 二、合成孔径成像原理
* A! ?0 W5 q5 F( r0 R: F6 z. _! b
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。
5 b# W: R; r% p* n5 C7 A 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。
% @% p) o( i' D6 C( @
" S' ^5 ~5 M7 v$ }# `: ~5 N3 o
图1 合成阵列原理
. {1 [9 N: g) k# s _
其中，阵元或天线水平长度为L，水平波束开角为θ=＝λ/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D＝R×θ=＝R×λ/ L，合成孔径波束开角为θsyn＝λ/D＝λ/（R×(λ/L)）＝L/R。
9 d: j0 d& I) s, h7 k! D
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θsyn＝λ/2D＝λ/(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δsyn＝R×θsyn＝R×L/2R＝L/2。
% f5 g& v4 z1 |* Q9 e) {
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。
5 C" g: d+ U0 t4 b2 Q( h% B8 { " w w( y" |# X/ W
图2 多普勒频移原理
/ I$ v" q3 {2 b7 b- M6 E( h
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x＝vt。
+ j! _! x% Y8 r, | U5 S1 U 回波信号的多普勒频移为
2 v3 @: k' G0 o3 y4 M& b
fd＝2v/λ×sinθ≈2v/λtanθ＝2v/(R0λ)x＝2v2/(R0λ)t ⑴
! O: w1 E% }$ |8 M
多普勒频移变化率μ＝dfd/dt＝2v2/ 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Bd＝Tμ＝2v/D。
/ V9 Y8 O) j* P' | 因此，合成孔径线分辨率为
% z, g5 J) U- } δsa＝v/Bd＝D/2 ⑵
7 L E6 V/ ^# N& U, q! a 极限情况：θmax＝π/2，fmax＝2v/λ，Bmax＝4v/λ。
* @- n" ?/ V' K2 s( Q0 J( ? 合成孔径极限分辨率为
8 p( p1 T% I9 P5 t; i δmax＝v/Bd＝λ/4 ⑶
4 B$ q4 V+ B8 f) i& G5 U
三、合成孔径雷达的发展
# _" ~2 V3 E7 ?' p; B5 g* H$ }" Y 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。
f1 Z) O# f* P' h$ Z- _
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。
3 s- z' ~8 }4 \0 T6 t8 t" b; X. b
表1 SAR系统常用频率及波长范围
! w5 l: a$ ]" I) z7 U8 w
' X8 ^( r3 ]+ ~- H 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。
; k' D; G4 m' v& {* E3 U 表2 一些星载及机载SAR成像雷达的参数
0 y) U) s. D/ S8 e! u
) |; C' h$ ~8 D9 s+ z3 @" P' M8 H 四、合成孔径(侧扫)声呐的发展
, j; C$ I" I, z1 i9 H/ \6 o 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/km，10kHz电磁波在水中衰减高达3000dB/km。
- R7 u% Z }( W9 l O, c 实孔径侧扫声呐(SSS)多为拖曳方式工作，如图3所示。
2 J4 B- Z4 V4 n% d3 v , i- V0 B# m$ ~# ^
图3 侧扫声呐拖曳工作方式及声图
" s0 M, [! S( p1 t' ^+ c0 I* B
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。
, g) G- a7 w5 E: a
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。
- r1 e& |0 F* }8 R {' J0 l( ] ; Z; M2 k0 Q) h: v) k7 N! _
图4 侧扫声呐水平波束及声图
7 t* q; C, S& _$ w$ z) K
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，θ=＝λ/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，δ=＝R×θ=＝R×(λ/L)。
, L0 o% A. q% i 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θsyn＝L/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。
. @* x% {8 Z, j* j1 |% }0 R2 A 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c＝1.5km/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L＝4vR/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。
5 `8 a% H5 i0 h9 q8 [/ e 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。
& v1 V. w! X) x0 p; G- J6 \0 I
# X% b8 f. S! P3 |3 T 图5 合成孔径(侧扫) 声呐运动误差
4 m+ X( o5 a# [- ^: ~; [ 合成孔径成像要求运动误差＜±(λ/8～λ/4)，λ100kHz≈15mm，λ10kHz≈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。
; |! f# {2 G/ Y: d/ o
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。
% J. q* ^, B. H( z4 M 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。
6 v% {& |8 }& e. n* J4 l 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。
9 `9 l2 s7 q: W% R3 Z8 G8 h
⒈NURC浅水合成孔径声呐
) x) Y! `1 @) W( m- Y: t 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。
) \2 s* P& ?. T 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AUV，IXSEA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270kHz～330kHz；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。
$ C1 D) A( @* G& l
⒉CSSRELIANT/SAS21系统
8 y# u4 `2 o' Z
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。
" Z4 G, y1 a: Z
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。
2 D3 D5 w1 l- C* b7 o5 } m) u
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。
8 a. w; F c# e7 x& }# G: Q7 {
SAS21系统双侧、双频同时工作，低频为15kHz～32kHz，高频为165kHz～195kHz。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。
. g$ x9 S' k6 R
⒊HISAS1030＋HUGIN1000MRAUV
7 H( Y6 C. `# p2 h$ V 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×5cm～50cm×50cm；频率范围为60kHz～120kHz；带宽为50kHz。2008年2月，在挪威奥斯陆海湾进行了海试，水深50m～100m，AUV高度约为25m。
6 M0 {/ L, O1 [1 V3 J& c 五、合成孔径聚焦技术在无损检测及医学成像上的发展
. I/ Z6 k% B5 v
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。
6 n7 Y8 b/ N! Y3 h9 ~, x& X
( T1 _1 k, p% E 图6 收发共置换能器无损检测A-扫描数据采集
9 X" r5 w) A- K, s. K3 e$ { 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8～10dB，3D-SAFT可以提高16～18dB。
' Y- t/ j3 m4 ?
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。
7 F4 y$ `& r' _ R V* ?# J+ c 4 Z2 \7 {5 y% Q5 U2 \! V* Z2 c
图7 中心钻孔件与裂隙SAFT-成像
! l- x+ F+ i6 U# t; t
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。
# z1 Z1 j$ e+ h7 e
& p0 z4 d) Y& ` 图8 合成孔径聚焦的发射及接收
+ d* X, J) a* Y* c j& @% D" I3 @. T 为了提高信噪比，每次可以激活M＞1个阵元，称为多阵元合成孔径聚焦(M-SAF)，其模式如图9所示。
; q5 \! v9 Q3 Q; c5 Q! X: g
' |1 x* d1 B! V/ n% L5 F4 } 图9 多阵元合成孔径聚焦的发射及接收(M＝K)
/ x+ J. P, E* B/ A( b
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。
! ]" ~+ i4 C* w+ l- m3 N0 M5 X) e5 Z
& N' D: n! @- t1 t* o 图10 发射合成孔径的发射及接收
5 \, Y4 U1 e9 E, Y 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/M＞1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。
) {) {- l6 Y0 w' o1 V
8 Y; b7 b& m/ b8 i8 _ 图11 稀疏发射合成孔径的发射及接收
, |9 B1 C6 h: E! L- [
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Ns=N/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。
; v1 j8 P3 E7 F/ j, T; Z
% g) d9 S, U4 m$ G# V0 O 图12 接收合成孔径的发射及接收
) C& U0 n- m+ u2 o 六、结论
, H$ @; E" T" h$ r, E! r0 E
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。
/ i+ a0 a/ N( T6 D: E* T# z! ` 来源：溪流之海洋人生
N- @3 Z. c7 y3 l- C+ H 作者：孙宝申
z* P( \. t" E6 D 
