Page 201 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 徐文等： AUV 双基地合成孔径声呐成像实验 661

工作模式，即采用一个固定发射源结合移动的
0 引言
接收阵。其中影响较大的是 1998 年在意大利 Elba
进行的 Generic Oceanographic Array Technology
合成孔径声呐(Synthetic aperture sonar, SAS)
Sonar(GOATS’98) 试验 [6] ，试验中采用挪威 Ben-
技术对不同位置接收信号进行相干处理，将小物理
tech Subsea A/S 公司研制的 TOPAS(Topographic
孔径合成为大虚拟孔径，从而获得较高的空间分辨
parameter sonar) 发射设备和美国麻省理工学院研
力，已发展成为水下目标探测与定位的一种有效手
制的自主水下航行器(Autonomous underwater ve-
段 [1−2] 。作为我国合成孔径技术研发的先驱者，李
hicle, AUV) 及其搭载的接收阵。该项目后续发射
启虎院士 [3−4] 自20世纪 90年代开始带领中科院声
和接收设备、搭载平台不断改进，并定期开展试
学所等相关团队，在合成孔径声呐原理、算法、技术、
验，若干结果已经公布出来 [7] 。1999年至2004年间，
系统、应用各个方面取得一系列进展，获取了当时
在美国佛罗里达附近海域进行的沉积层声学试验
世界上分辨力最高的主动合成孔径声呐成像结果。
(Sediment acoustic experiment, SAX) 中，双基地
常规单基地 SAS 成像基于点目标假设，不考虑
SAS 系统采用导轨控制的移动接收阵与固定发射
合成孔径内目标散射模式 (Target scattering pat-
源相结合的模式 [8] ，重点研究了小掠射角甚至低于
tern, TSP) 起伏，仅仅接收目标后向散射回波，在
临界角条件下沉底和掩埋目标的检测和识别。国内
整个相干累积过程中目标强度被认为是常数。当
双基地 SAS 研究较少，文献中只见到相关成像算法
目标尺寸显著大于波长或者 SAS 成像分辨单元时，
的仿真结果 [9] 。值得指出的是，双基地模式也存在
很难建模为点目标。实际人造目标形状的对称性
一定的缺陷，主要在于涉及硬件和信号处理设计的
使得在很宽的观测角度内 TSP 表现出较大的各向
复杂性以及空间分辨力下降。
异性，例如圆柱形水雷不同方向散射强度可能存在
本文介绍浙江大学依托 “海豚一号”AUV 开展
20∼40 dB 的差异 [5] 。当目标被建模为分布型目标
的双基地研究工作，重点介绍湖试的结果，演示双基
时，其引起的目标起伏是影响主动声呐性能的讨厌
地 SAS 的可行性。同时通过引入 TSP 建模的宽角
参量 (Nuisance parameter)，不能通过常规 SAS 成
度SAS处理，实现了对目标探测性能的提升。
像利用的相干积累去克服；同时，由于 TSP 有限主
瓣宽度造成的声影区，限制了合成孔径的大小。
1 实验系统
收发异置的双基地声呐可以从不同角度观
察目标，充分挖掘目标散射模式的角度依赖特 浙江大学 “海豚一号”AUV，是一套低成本、
性，在对水下目标 (尤其人造目标) 检测与定位方 小尺寸自主式水下航行器，其分段式、模块化设
面，相对仅仅观测后向散射的单基地声呐有潜在 计为灵活搭载各种水下传感器提供了便利。类似
的优势。20 世纪 90 年代以来国际上陆续有相关 GOATS’98 中的实验配置，本文设计并研制了一套
双基地/多基地 SAS 的研究报道，目前比较流行 低频双基地 SAS 实验系统，如图 1(a) 所示，并进行
的配置方式是类似双基地合成孔径雷达的被动 了多航次湖上实验。

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(b) ᆶ͈ፇ౞ᇨਓڏ
(a) ԥ۳ڡSASࠄᰎጇፒ
图 1 双基地 SAS 实验系统及其硬件结构
Fig. 1 Bistatic synthetic aperture sonar system and its hardware structure