一、引言
合成孔徑成像自20世紀50年代提出,應(yīng)用于雷達成像,歷經(jīng)70年的研發(fā),已經(jīng)日趨成熟,成功地用于環(huán)境資源監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測、海事管理及軍事等領(lǐng)域。受物理環(huán)境制約,合成孔徑在聲吶成像中的研發(fā)與應(yīng)用起步稍遲,滯后于雷達,近年來在民用及軍事領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進展加速。此外,近年來合成孔徑成像在聲學(xué)無損檢測、醫(yī)學(xué)超聲成像等領(lǐng)域的研發(fā)也有長足進步,并擴展到其他領(lǐng)域如光學(xué)、微波成像等。本文簡要介紹了條帶合成孔徑成像的原理及其在雷達、聲吶、無損檢測及醫(yī)學(xué)影像等方面的應(yīng)用及發(fā)展。
二、合成孔徑成像原理
條帶合成孔徑成像利用小孔徑基陣,在直線運動軌跡上均速移動,并在確定位置順序發(fā)射,接收并存儲回波信號。根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對不同位置的回波信號進行相干疊加處理,合成虛擬大孔徑的基陣,從而獲得沿運動方向的高分辨率。
在1985年的先驅(qū)獎故事中,合成孔徑雷達(SAR)的發(fā)明者Wiley謙遜地說:我有幸想到了一個基本想法,我稱之為多普勒波束銳化(DBS),而不是合成孔徑雷達。和所有信號處理一樣,有一個雙重理論:一個是頻域解釋,這是多普勒分析;在時域內(nèi)分析系統(tǒng),這就是合成孔徑雷達。在時間域?qū)铣煽讖匠上竦摹昂铣申嚵小钡慕忉屓鐖D1所示。
圖1合成陣列原理
其中,陣元或天線水平長度為L,水平波束開角為θ==λ/L。工作頻率時,波長為λ。陣元行進軌跡為直線,點目標與行進軌跡的垂直距離為R。陣元在位置1時,目標進入波束;陣元在位置N時,目標退出波束。合成孔徑陣元數(shù)為N,合成孔徑長為D=R×θ==R×λ/L,合成孔徑波束開角為θsyn=λ/D=λ/(R×(λ/L))=L/R。
采樣結(jié)束,合成孔徑波束形成后處理時,對不同位置的回波信號進行相干疊加,需要計算陣元發(fā)射信號至目標、目標反射信號返回陣元的往返聲程2R。因此,合成孔徑波束開角實際應(yīng)為θsyn=λ/2D=λ/(2R×(λ/L))=L/2R。距直線軌跡垂直距離為R時,合成孔徑波束形成的線分辨率為δsyn=R×θsyn=R×L/2R=L/2。
20世紀50年代在雷達成像中提出“合成孔徑”原理時,稱為“多普勒波束銳化”。這時在頻率域?qū)铣煽讖匠上竦慕忉屓鐖D2所示。
圖2多普勒頻移原理
實孔徑為D的雷達天線或聲吶換能器陣元沿x軸自左至右勻速運行,發(fā)射并接收位于A的點目標的回波信號。陣元速度為v,在x軸上位置為x=vt。
回波信號的多普勒頻移為
fd=2v/λ×sinθ≈2v/λtanθ=2v/(R0λ)x=2v2/(R0λ)t ⑴
多普勒頻移變化率μ=dfd/dt=2v2/R0λ,點目標進入并退出波束的持續(xù)時間為T=(R0λ/Dv)×c,回波信號的多普勒帶寬為Bd=Tμ=2v/D。
因此,合成孔徑線分辨率為
δsa=v/Bd=D/2 ⑵
極限情況:θmax=π/2,fmax=2v/λ,Bmax=4v/λ。
合成孔徑極限分辨率為
δmax=v/Bd=λ/4 ⑶
三、合成孔徑雷達的發(fā)展
1951年,美國Goodyear公司的Wiley首先提出用頻率分析方法改善雷達角分辨率,此概念最先應(yīng)用在射電天文學(xué)及雷達成像。
數(shù)個月后,美國伊利諾依大學(xué)及密歇根大學(xué)的研究人員獨立研發(fā)了SAR。密歇根大學(xué)的研究人員于1957年給出了最早的合成孔徑圖像。但是,由于圖像質(zhì)量及分辨率都不高,當(dāng)時幾乎取消了SAR的研究計劃。當(dāng)時的分辨率指標是約16m,現(xiàn)在已經(jīng)進入了SAR的興盛時期。表1給出了系統(tǒng)常用頻率及波長范圍,表2列出一些星載及機載SAR成像雷達的參數(shù)。
表1SAR系統(tǒng)常用頻率及波長范圍
注:L、C及X是最常用的頻帶。P及L頻帶用于葉簇穿透、地表下成像以及生物量估計;C、S及X頻帶用于海洋、冰層及沉陷監(jiān)測;X及Ku頻帶用于積雪監(jiān)測;X及Ka用于高分辨率成像。
表2一些星載及機載SAR成像雷達的參數(shù)
四、合成孔徑(側(cè)掃)聲吶的發(fā)展
海洋占據(jù)地球表面約70%的面積,是人類開展交通運輸、軍事斗爭和獲取資源的場所。這就必須有在海洋中觀測、通訊、導(dǎo)航、定位的工具。在海洋中可檢測很多物理場,如:磁場、水壓場、尾流場、溫度場等。這此物理場的可檢測距離大致與源本身尺度同一量級,不能在水中遠距離傳遞信息。而水聲技術(shù)在其中扮演了重要的角色。聲波是迄今為止在水中唯一能有效地遠距離傳遞信息的物理場。聲波與電磁波的衰減之比如下:10kHz聲波在水中衰減僅約1dB/km,10kHz電磁波在水中衰減高達3000dB/km。
實孔徑側(cè)掃聲吶(SSS)多為拖曳方式工作,如圖3所示。
圖3側(cè)掃聲吶拖曳工作方式及聲圖
最早的側(cè)掃聲吶實驗是Hagemann(1958)為美國海軍完成的,直到1980年才解密發(fā)表?;贖agemann的工作,西屋公司(Westinghouse)在20世紀60年代初建造了第一臺實用的側(cè)掃聲吶。很快,側(cè)掃聲吶就成為海底調(diào)查、海底成像方面的重要工具,揭示了海底上很多以往不為人知的細節(jié)。商用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)最早用于海洋水下考古,特別是尋找沉船。
與實孔徑側(cè)視雷達相似,實孔徑側(cè)掃聲吶沿運動方向有恒定的波束開角,由聲吶換能器的實際孔徑確定,側(cè)掃聲吶水平波束及聲圖見圖4。
圖4側(cè)掃聲吶水平波束及聲圖
實孔徑側(cè)掃聲吶技術(shù)特性可歸納為水平波束恒定角分辨率,它與對波長歸一化的陣長成反比,θ==λ/L。其中,陣元或天線水平長度為L;工作頻率時,波長為λ。距離增加時,水平線分辨率降低,δ==R×θ==R×(λ/L)。
合成孔徑(側(cè)掃)聲吶(SAS)與合成孔徑側(cè)視雷達類似:利用小孔徑水聲換能器,在直線運動軌跡上均速移動,并在確定位置順序發(fā)射,接收并存儲回波信號。根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對不同位置的回波信號進行相干疊加處理,合成虛擬大孔徑的基陣,從而獲得沿運動方向的高分辨率。與合成孔徑側(cè)視雷達相同,合成孔徑(側(cè)掃)聲吶沿運動方向的水平線分辨率為θsyn=L/2,其中,L為基陣長度。該水平線分辨率與頻率無關(guān),可采用低頻工作;且與距離無關(guān)。
雷達應(yīng)用電磁波,在空氣中的傳播速度約為300000km/s;聲吶應(yīng)用聲波,在水中的傳播速度僅為c=1.5km/s。工作距離為R、達到運動速度v時,多接收子陣合成孔徑聲吶基陣的物理長度最小為L=4vR/c,每一接收子陣的水平寬度為方位向分辨率的兩倍。與實孔徑聲吶比較,種種這些因素使得合成孔徑聲吶的基陣體積大、質(zhì)量大,系統(tǒng)復(fù)雜程度高。
在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中,拖體不可能嚴格地沿直線航跡勻速運動,運動誤差如圖5所示。
圖5 合成孔徑(側(cè)掃) 聲吶運動誤差
合成孔徑成像要求運動誤差<±(λ/8~λ/4),λ100kHz≈15mm,λ10kHz≈150mm。對運動誤差的要求更增加了合成孔徑(側(cè)掃)聲吶的系統(tǒng)復(fù)雜性。
早在20世紀70年代中期,合成孔徑技術(shù)就已經(jīng)嘗試用于側(cè)掃聲吶。在1975年,Cutrona提出了合成孔徑聲吶的一種設(shè)計程序,建議采用多波束系統(tǒng),以提高拖曳方向采樣率。大約在同時期,Williams進行了合成孔徑聲吶拖曳試驗。
受應(yīng)用環(huán)境物理參數(shù)制約,合成孔徑聲吶的研發(fā)與應(yīng)用滯后雷達多年。應(yīng)用需求不迫切,也延緩了合成孔徑聲吶的研發(fā)。一份報告指出:早期水雷對抗的目的是檢測,識別大型號、幾何形狀簡單的水雷,如2m長的圓柱體目標。在當(dāng)時的態(tài)勢下,水雷對抗艦艇上裝備的聲吶設(shè)備在大多情況已滿足需求。因而,相對復(fù)雜的SAS系統(tǒng)并未受到充分關(guān)注。
當(dāng)水雷對抗的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)重點轉(zhuǎn)移至較淺的近沿海水域,對抗目標物為較小型號、更為隱蔽的水雷及機動武器時,新的需求要求聲吶分辨率大幅提高。水下無人航行器(UUV)或自治水下航行器(AUV)的研發(fā)及日益拓展的應(yīng)用,為合成孔徑聲吶提供了比水面船只拖曳的拖體更為穩(wěn)定、可靠的載體,也促進了合成孔徑聲吶系統(tǒng)的性能改進及廣泛應(yīng)用。
⒈NURC淺水合成孔徑聲吶
北約海底研究中心(NURC)是北大西洋公約組織(NATO)下屬的三個研究與技術(shù)機構(gòu)之一,負責(zé)NATO的海上研發(fā),支持NATO的海上作業(yè)需求。
NURC在1998年啟動了水雷對抗合成孔徑聲吶的研發(fā)項目,于2002年按NURC的高水平合成孔徑聲吶系統(tǒng)技術(shù)指標進行了國際招標。2003年1月,Thales公司中標,按NURC設(shè)計指標研制SAS系統(tǒng);Bluefin公司提供AUV,IXSEA公司提供慣導(dǎo)系統(tǒng)。2006年6月,在馬里納迪卡拉拉(MarinadiCarrara)區(qū)域完成了水上實驗。NURC完成的淺水SAS的載體是Bluefin-21,直徑0.53m,長3.5m,由Bluefin公司批量生產(chǎn),供應(yīng)市場;該SAS的工作頻率為270kHz~330kHz;由36個主接收陣元組成,總長1.2m;沿運動方向的水平分辨率為1.6cm;運動補償方案為羅經(jīng)穩(wěn)定DPC(G-DPC)導(dǎo)航系統(tǒng)。
⒉CSSRELIANT/SAS21系統(tǒng)
沿海系統(tǒng)站(CoastalSystemsStation,CSS)位于美國佛羅里達州巴拿馬市圣安德魯灣,是美國海軍的一個重要實驗室。其任務(wù)為水雷戰(zhàn)、兩棲戰(zhàn)、海上特種戰(zhàn)、潛水及生命支持的研究、開發(fā)、測試及評估,還包括沿海軍事行動及其他受到特別關(guān)注的先進對抗策略研究。
CSS在2003年的報告中指出:合成孔徑聲吶、水下自治潛器是水下研究與開發(fā)中最具有挑戰(zhàn)性的兩個項目,這兩個項目的有機結(jié)合將提供能力超強、應(yīng)用廣泛的水下成像系統(tǒng)。當(dāng)時,已有數(shù)個這樣的項目在實施,大多為軍事應(yīng)用。CSS用自已開發(fā)的SAS系統(tǒng)與BluefinAUV集成,在2003年完成了初步實驗。
CSS的AUV/合成孔徑聲吶系統(tǒng)名為RELIANT/SAS21系統(tǒng),據(jù)稱是第一個結(jié)合了AUV及SAS技術(shù)的水雷對抗實驗系統(tǒng)。其載體AUV的型號是Reliant,由Bluefin公司開發(fā),長約3m,直徑約0.53m。
SAS21系統(tǒng)雙側(cè)、雙頻同時工作,低頻為15kHz~32kHz,高頻為165kHz~195kHz。高低頻發(fā)射波形與功率獨立編程控制。低頻分辨率為7:62cm×7:62cm;高頻分辨率為2:54cm×2:54cm。
⒊HISAS1030+HUGIN1000MRAUV
HISAS1030是KongsbergMaritime(KM)公司在原型機“Sensotech”的基礎(chǔ)上研發(fā)的多子陣干涉合成孔徑聲吶,適裝于AUV。其主要技術(shù)指標為分辨率優(yōu)于5cm×5cm(理論值2cm×2cm);速度為2m/s時,工作距離為200m,速度為1.5m/s時,工作距離為275m;干涉測深分辨率為5cm×5cm~50cm×50cm;頻率范圍為60kHz~120kHz;帶寬為50kHz。2008年2月,在挪威奧斯陸海灣進行了海試,水深50m~100m,AUV高度約為25m。
五、合成孔徑聚焦技術(shù)在無損檢測及醫(yī)學(xué)成像上的發(fā)展
自20世紀60年代末及70年代初,同樣是為了改善沿換能器移動方向的分辨率,合成孔徑原理就已經(jīng)試圖應(yīng)用于超聲成像。在20世紀七八十年代,合成孔徑主要是用于無損檢測,采用收發(fā)共置換能器,如圖6所示。
圖6 收發(fā)共置換能器無損檢測A-掃描數(shù)據(jù)采集
合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)利用機電掃描系統(tǒng),控制換能器沿預(yù)定路徑移動,在預(yù)定位置發(fā)射并接收試樣中缺陷反射的回波信號。換能器位置、發(fā)射信號及回波信號波形全部存儲在系統(tǒng)中。合成孔徑聚焦處理程序在設(shè)定的深度內(nèi)對回波信號做線聚焦(2D-SAFT)或點聚焦(3D-SAFT)處理。2D-SAFT的信噪比可以提高8~10dB,3D-SAFT可以提高16~18dB。
20世紀八九十年代,SAFT主要用于焊縫無損檢測,還可用于薄壁及厚壁部件無損檢測。圖7是一個非常厚的部件,壁厚325mm。采用2MHz橫波斜探頭,探測到75mm深的裂隙。45?斜入射探頭沿鉆孔內(nèi)壁掃描,裂隙在外壁。經(jīng)破壞性探查核實,裂隙深度與SAFT-成像結(jié)果符合,誤差±2mm。
圖7 中心鉆孔件與裂隙SAFT-成像
換能器線陣應(yīng)用到合成孔徑超聲成像后,有不同的實現(xiàn)方式。最簡單的系統(tǒng)是合成孔徑聚焦方式。其模式如圖8所示,換能器線陣有N個陣元,每次只激活一個陣元發(fā)射,接收回波信號并存儲在系統(tǒng)中。依次由陣元1至N重復(fù)N次后,由系統(tǒng)中調(diào)取數(shù)據(jù)相干疊加,得到高分辨聲圖。
圖8 合成孔徑聚焦的發(fā)射及接收
為了提高信噪比,每次可以激活M>1個陣元,稱為多陣元合成孔徑聚焦(M-SAF),其模式如圖9所示。
圖9 多陣元合成孔徑聚焦的發(fā)射及接收(M=K)
發(fā)射時只激活一個陣元,線陣中的全部陣元接收回波,稱為“發(fā)射合成孔徑”(STA),其模式如圖10所示。
圖10 發(fā)射合成孔徑的發(fā)射及接收
為了提高聲圖刷新率,可以應(yīng)用“稀疏發(fā)射合成孔徑(SparseSTA)”模式,其模式如圖11所示。稀疏發(fā)射合成孔徑模式在每次發(fā)射時,激活N/M>1個陣元,全部陣元接收回波信號。一幀數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后,調(diào)取全部M×N個回波信號用于重建聲圖。
圖11 稀疏發(fā)射合成孔徑的發(fā)射及接收
接收合成孔徑(SRA)的模式如圖12所示。發(fā)射時,激活全部陣元;接收時,將線陣分為Ns=N/KR個子陣。每發(fā)射一次,一個接收子陣將KR個陣元接收到的回波信號疊加并存儲。然后,向同方向發(fā)射同樣的脈沖信號,其他子陣按序接收回波,疊加并存儲。最后,調(diào)出所有子陣的回波信號,相干處理形成高分辨聲圖。
圖12 接收合成孔徑的發(fā)射及接收
六、結(jié)論
自20世紀50年代至今,合成孔徑在雷達地面、海面成像中的研發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進入了黃金時代,實際分辨率遠遠超出了初期的設(shè)想。但是,系統(tǒng)誤差,尤其是機載雷達運動誤差降低了實際能達到的分辨能力。受多變的海洋環(huán)境影響,運動誤差檢測與補償對提高合成孔徑聲吶的實際分辨率尤為重要,始終是受到關(guān)注的研發(fā)課題。自20世紀七八十年代以來,合成孔徑成像已應(yīng)用到無損檢測及醫(yī)療診斷方面,有效地提高了超聲成像的分辨率及信噪比,其研發(fā)及應(yīng)用推廣受到了多方關(guān)注。此外,在合成孔徑技術(shù)的各方面應(yīng)用中,3D-成像及目標自動識別與分類都是研究熱點。
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原文標題:合成孔徑成像的應(yīng)用及發(fā)展
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