SAS高分辨率技术的基本原理及应用

合成孔径声呐（Synthetic Aperture Sonar，SAS）的基本原理是利用小尺寸基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径基阵，在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号，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，从而形成等效的大孔径，获得沿运动方向（方位向）的高分辨力。合成孔径声呐的原理示意如图4-5所示。

图4-5 合成孔径声呐原理示意图

合成孔径声呐（SAS）是一种用于水下的主动式高分辨率声波成像技术，解决了侧扫声呐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呐复杂。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。

从原理上来说，合成孔径声呐的方位向空间分辨能力与声呐的工作频率和作用距离都没有关系，而仅与基阵的实际声学孔径有关。由于分辨力与距离无关，因而可对远距离目标实现高分辨率成像，而且远距离与近距离空间分辨率一样，因而可以获得比较均匀的空间分辨力，换句话说，就是成像的保真度比较高。由于分辨力与工作频率无关，因而可以采用较低工作频率，特别适合掩埋物和底质探测。由于合成孔径声呐对目标的探测是采用多次照射和相干积累处理实现的，所以点目标信噪比改善较大，适合于漫散射背景下孤立目标的检测（如混响背景下水雷的探测）。也就是说SAS可以工作在比侧扫声呐低的频率，以获得分辨率和穿透性的结合，可用于探测掩埋目标。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。

1.方位向分辨率

当声呐发射窄脉冲信号时，距离向分辨率取决于发射脉冲的时间宽度，即

式中，c为声速；T_c为脉冲时间宽度。

可通过使用较小的T_c来获得较高的距离向分辨率。但由于T_c过小时，发射信号能量过小，以至于不能保证声呐的作用距离。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。SAS的距离向分辨率为

式中，B_c为信号带宽。

SAS的距离向分辨率与发射信号的带宽成反比，与发射脉冲的时间宽度无关。方位分辨率是SAS相对于侧扫声呐的主要优势。发射阵方位向尺寸为D，发射信号波长为λ时，其半功率点波束宽度大约为

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对于实孔径声呐系统，在距离发射阵r处，方位向分辨率为

式中，f为信号频率。

图4-6 SAS合成孔径长度示意图

从上式可以得出，声呐基阵孔径越大，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，从而限制声呐作用距离。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。合成孔径声呐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。如图4-6所示，对于距离为r的目标，声呐波束的照射宽度为

W=rθ_3dB

考虑到发射和接收双程影响，目标相当于使用孔径长度为2W的基阵照射，方位向分辨率为

可见，与侧扫声呐不同，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λ/4。所以相比侧扫声呐，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、价格高等问题，因而应用不是很广泛。

2.距离向分辨率

一般来讲，当采用窄脉冲发射信号时，声呐的距离向分辨率与脉冲宽度成正比，即ρ_r=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，则距离向分辨率ρ_r=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，得到距离向高分辨率的距离压缩信号。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，在载频上直接做脉冲压缩。