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合成孔径声纳在海底探测中的应用

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《海洋技术学报》2016年第二期

摘要:

合成孔径声纳技术逐渐成为海底探测领域的热门研究方向,其在地貌成像、沉底和掩埋小目标成像、海底管道探测等方面的应用均取得重要进展。文中系统阐述了合成孔径声纳技术的工作原理和研究现状,重点介绍了双频双侧合成孔径声纳的技术优势。结合海底管线探查案例,详细分析了该设备的应用情况,并与浅地层剖面仪实际获取的图像进行了对比,验证了双频合成孔径声纳在海底探测中的适应性和探测能力,最后对该技术的研究与应用方向进行了展望。

关键词:

合成孔径声纳;海底探测;掩埋目标

海洋科学研究、海洋探测、海洋资源开发是海洋活动的三大主题[1]。海底声学探测作为海洋探测的技术手段之一,在海洋权益维护、海洋防灾减灾、海洋油气开发等方面发挥着重要作用。随着水下导航和高速数字信号处理等技术的快速发展以及多子阵成像和运动误差估计等方面的研究工作不断取得新的进展,合成孔径声纳研究亦取得快速发展。在水下无人移动平台、水下拖曳平台等多种平台应用均取得重大成功;在地貌成像、沉底小目标成像、掩埋小目标成像、海底管道探测、海底光缆探测等多种任务中均取得重要进展。

1合成孔径声纳技术概述

合成孔径声纳(SAS)的思想来自合成孔径雷达(SAR)。1951年6月,美国GoodyearAero-spaceCo.的CarlWiley等人[2]提出了使用频率分析方法可以提高雷达的方位向分辨率。此后,SAR技术经过半个多世纪的发展,已相当成熟,并取代了传统侧视雷达,成为军事和民用方面的重要观测手段[3]。但由于声波传输速度比电磁波低、水下环境恶劣、载体平台运动不稳定等原因,合成孔径技术在声纳上的发展滞后于雷达[4]。1967年,美国Raytheon公司提出合成孔径技术可以应用到水声信号处理中。1969年,Walsh[5]首先公开发表了关于SAS系统的论述。1973年,Sato,Ueda和Fukoda[2]公布了第一次SAS水池试验结果。Willimas[6]于1976年,Christoff等人[7]于1982年,Gough和Hayes等人[8]于1989年的试验表明水声信号的相干性能满足合成孔径成像的要求,使用多子阵的方法可以突破声速对载体运动速度的限制。从20世纪90年代开始,SAS已经成为水声信号处理的热点之一。国际上已出现了多种不同型号的SAS系统样机,如5个欧洲国家参与研制的SAMISAS、Raython公司的DARPASAS、法国汤姆逊公司的IMBAT3000SAS、法国IXSEA公司的SHADOWSAS和新西兰Canterbury大学的KiwiSAS[9]等。在此基础上,美国和欧洲国家推出了一系列商用合成孔径声纳产品,美国、法国、挪威和瑞典海军也陆续开始装备合成孔径声纳作为反水雷装备,典型产品包括瑞典FOI研制的SAS、挪威FFI研制的SAS、法国IXSEASAS、意大利NATONURCSAS、美国CSSSAS等。但从公开的文献调研看,国外尚没有推出双频合成孔径声纳设备。中国科学院声学研究所在科技部“863”计划课题的支持下,于1997年启动对SAS的研究,经过10多年的发展,在理论和技术上取得了很大进展,先后研制了高频系统、低频系统样机。2013年,在海洋公益专项支持下,进行双频合成孔径声呐研制,在高频和低频合成孔径成像技术集成的过程中解决了重量、体积、功耗、双频同步工作、可靠性和稳定性等一系列关键问题,完成了双侧双频系统,并进行了多次湖上和海上试验,取得了清晰的水底成像结果。

2合成孔径声纳成像原理

合成孔径声纳(SAS)是一种用于水下的主动式高分辨率声波成像技术[10],解决了侧扫声纳方位向分辨率和基阵孔径尺寸、工作频率的矛盾,但信号处理过程比侧扫声纳复杂。SAS通过小孔径基阵在方位向的移动,合成一个虚拟的大孔径,从而得到比基阵孔径高的方位分辨率。由于虚拟孔径与距离成正比,方位向的理论分辨率与距离和频率无关,只与基阵孔径有关。SAS可以工作在比侧扫声纳低的频率,以获得分辨率和穿透性的结合,可用于探测掩埋目标。示意图如图1所示。SAS高分辨率包括高距离向分辨率和高方位向分辨率两个方面。高距离向分辨率通过脉冲压缩获得,而高方位向分辨率通过合成孔径原理获得[11]。

2.1方位向分辨率当声纳发射窄脉冲信号时,距离向分辨率取决于发射脉冲时间宽度。式中:c为声速;Tc为脉冲时间宽度。可通过使用较小的Tc来获得较高的距离向分辨率。但由于Tc过小时,发射信号能量过小,以至于不能保证声纳的作用距离。为了解决这对矛盾,SAS发射时间宽度较宽的线性调频信号。对回波进行匹配滤波处理,可以得到一个能量集中的窄脉冲,从而获得该窄脉冲决定的距离分辨率。式中:f为信号频率。从上式可以得出,声纳基阵孔径越大,信号频率越高,方位向分辨率越高。但基阵孔径越大成本越高越难实现,且载体平台也会限制基阵孔径,因此很难通过安装很大尺寸的阵列孔径来获得高分辨率。频率越高,海水对信号的吸收越大,从而限制声纳作用距离。此外,当目标距离越大时,方位向分辨率越低,很难在远距离处得到高的分辨率。合成孔径声纳技术使用真实孔径的运动,在多个位置发射和接收信号,通过相干处理合成一个虚拟的较难实现的大孔径,从而获得比真实孔径高的分辨率[12]。对于距离为r的目标,声纳波束的照射宽度为。可见,与侧扫声纳不同,SAS的方位向分辨率理论上与信号频率、目标距离无关,完全由基阵尺寸决定。且基阵尺寸越小,方位向分辨率越高。这是因为,基阵尺寸越小,波束越宽,目标接收回波信号的时间越长,对应的合成孔径越长。方位向分辨率的极限为λ4。所以相比侧扫声纳,SAS可以使用更低的信号频率,获得更高的方位向分辨率。但SAS也存在着运动补偿要求高、测距测速矛盾突出[13]等问题,因而应用还没有SAR成功。

2.2距离向分辨率一般来讲,当采用窄脉冲发射信号时,声纳的距离向分辨率与脉冲宽度成正比,即ρr=cτ/2,其中c为声速,τ为脉冲宽度。这种情况下,可以通过发射更窄脉冲来提高距离向分辨率。但脉冲太窄,为了保证信号的强度,对发射功率要求很高。通常,采用宽带线性调频信号作为发射信号,通过对接收信号进行匹配滤波处理,来得到高的距离向分辨率。如果调频信号带宽为B,距离向分辨率ρr=c/4B。在进行SAS成像之前,首先需要对回波信号进行脉冲压缩,得到距离向高分辨的距离压缩信号。脉冲压缩有两种处理方法,一种方法是对回波信号去载频,变成基带信号,然后再做脉冲压缩;另一种方法是,在载频上直接作脉冲压缩。

3双频合成孔径声纳设备

前已述及,SAS可用于水底二维高分辨率成像[11]。由于能工作在比侧扫声纳更低的频率,SAS可以获得更远的传输距离,从而获得较高的测绘效率,且声波信号穿透性较强,能够用于探测掩埋目标,由于这一特性,使得进行双频合成孔径声呐研制成为可能。双频合成孔径声纳技术是在高频段使用大的带宽和脉宽信号,通过脉冲压缩的方法得到距离向高分辨率,低频段则是利用较低频信号在水声信道中较低衰减的特点和较好的穿透特性,从而保证了在不丧失方位向分辨率的同时又具有较大的作用距离和对掩埋物体的探测能力。并且双频合成孔径声纳的双频同时成像,便于对水下物体存置特性进行比对分析,能够满足水下监测阵、光缆、电缆等探测任务的需求。本文提到的双频合成孔径声纳(DF-SAS)是海洋公益性行业科研专项“海底管道探测技术集成及风险评估技术研究与示范应用(201305026)”资助集成研发的声纳设备。该设备利用实孔径基阵的运动合成虚拟的大孔径以提高探测分辨率的水声成像设备,它集成了高、低频合成孔径声纳,目前测量船加装的设备工作在拖曳模式下,已经进入海试以及示范应用阶段。该双频合成孔径声纳除了高低频双频段工作之外,其最大探测深度超过了水下1000m,其拖曳深度达到了水下1000m,声纳拖鱼由拖曳母船供电功耗仅为500W,拖鱼长2.5m,直径0.5m,最大探测距离双侧600m,探测分辨率可达5cm×5cm。针对掩埋物体,双频合成孔径声纳可以探测掩埋深度不大于5m的线状目标,目前实验证明的掩埋物最小直径8cm。其工作示意图如图3所示。此外,双频双侧合成孔径声纳还集成了高精度差分GPS以及水下超短基线定位设备。

4双频合成孔径声纳在海底探测中的应用及效果分析

双频双侧合成孔径声纳可以实时对海洋中悬浮、沉底及掩埋目标进行精细成像。第一,其成像原理保证在其全测绘带内保持恒定的分辨率,这样可以在较高的测绘效率的同时得到较好的测绘效果;第二,其双频中的低频单元可以穿透海底泥沙等底质对掩埋物体进行精细成像;第三,其较高的距离向和方位向分辨率可以保证不同直径的管线均能清晰成像;第四,其集成了高精度差分GPS和水下超短基线定位设备,进行了海空一体化定位,可以精确给出水下目标地理位置,并且可以实时从成像瀑布图读取目标位置信息;第五,其双侧工作提高了测绘效率的同时可以做到无死区覆盖;第六,其双频同时工作,由于高频不具掩埋探测能力而低频具备,所以通过双频成像结果比对可以直观判读海底目标是否处于掩埋状态。因此,基于合成孔径技术的双频合成孔径声纳可以广泛应用于海底地质地貌、海底管道(掩埋、非掩埋)以及人类活动痕迹等,研究成果可用于海底管道安全状态(悬空、裸露、掩埋)、海底地貌勘探、人类活动痕迹等的分析,从而实现对海底目标的布设和检查、海底地形地貌的判别、海底地质结构的鉴别和分类、水文因素引起海底变化等,对海洋规律的探索、海洋的开发利用以及军事活动都具有重要的研究价值和意义。为了验证DF-SAS的探测效果,我们选取海底管线密集的油田区进行试验。实验前,对试验区海底的管线情况进行了解,对管线的位置和埋深,哪里有裸露管线等基本掌握,有针对性地布设试验测线。在实际的海底管线探查实验中,首先采用双频双侧合成孔径声纳对海底管线进行探查,然后根据分析结果,在认为的管线裸露区用携带声学前视声纳和光学摄像的ROV进行探查确定裸露管线,对认为的掩埋管线,使用浅地层剖面仪进行管线探测,以验证管线的存在及埋藏深度。试验完成声纳数据与传感器定位数据、地理信息数据的融合,能够实现单侧300m,双侧600m的测绘宽度,该范围内成像清晰。试验结果表明,DF-SAS具有良好的管线探测能力,对至少埋深2m的海底管线能形成清晰的连续图像,并可进行持续追踪。图5为双频双侧合成孔径声纳成像结果和浅地层剖面仪验证的比对结果。图6为石油钻井平台附近管线成像图,由于平台下方部分区域未掩埋而是采用压块压置,从图中可以清晰反映。上述实验结果表明,双频合成孔径声纳主要有两项优点,一是对目标的分辨能力与距离和采用的声信号频率无关,因此既可以采用高频信号进行高分辨率成像,也可以采用低频发射信号进行掩埋目标的探测;二是可以采用小尺度的声纳基阵获得高分辨率的目标图像,且方位向分辨率在全测绘带上保持恒定高分辨率,不受作用距离影响。该设备兼具高分辨率的特点和沉底、半掩埋、掩埋管线的探测能力,是掩埋管线探测的理想手段。

5结论

鉴于合成孔径声纳在国防领域和国民经济领域极具应用前景,世界各主要海洋国家均在大力发展合成孔径声纳技术。双频合成孔径成像声纳采用双频高分辨率合成孔径成像技术,是一种新机理水下成像技术;通过双频声图对照,可以有效地判断海底目标的尺寸以及掩埋状态。海洋公益性行业科研专项“海底管道探测技术集成及风险评估技术研究与示范应用(201305026)”集成研制的双频合成孔径声纳是对合成孔径声纳技术的成功实践和应用。该设备在海底管道探测试验中,对掩埋的海底管道和电缆等目标均能清晰成像,并且发现管道压块等目标,验证了双频合成孔径声纳对于海底目标和掩埋物体的探测能力。本双频合成孔径声纳探测系统研制成功,首次完成国内双频合成孔径声纳的海底目标原始数据的采集和实时成像,验证了双频合成孔径声纳成像处理技术在海底探测中的适用性。该设备将在海底探测中获得广泛应用,对海洋规律的探索、海洋的开发利用以及军事活动都具有重要意义。

作者:杨敏 宋士林 徐栋 王小丹 单位:国家海洋局北海海洋技术保障中心

海洋技术学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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