合成孔徑成像的應用及發展

一、引言

合成孔徑成像自20世紀50年代提出，應用於雷達成像，歷經70年的研發，已經日趨成熟，成功地用於環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事等領域。受物理環境制約，合成孔徑在聲吶成像中的研發與應用起步稍遲，滯後於雷達，近年來在民用及軍事領域的研究與應用進展加速。此外，近年來合成孔徑成像在聲學無損檢測、醫學超聲成像等領域的研發也有長足進步，並擴展到其他領域如光學、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、無損檢測及醫學影像等方面的應用及發展。

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，並在確定位置順序發射，接收並存儲回波信號。根據空間位置和相位關係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年的先驅獎故事中，合成孔徑雷達(SAR)的發明者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；在時域內分析系統，這就是合成孔徑雷達。在時間域對合成孔徑成像的“合成陣列”的解釋如圖1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。

採樣結束，合成孔徑波束形成後處理時，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”。這時在頻率域對合成孔徑成像的解釋如圖2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，發射並接收位於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，點目標進入並退出波束的持續時間為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，此概念最先應用在射電天文學及雷達成像。

數個月後，美國伊利諾依大學及密歇根大學的研究人員獨立研發了SAR。密歇根大學的研究人員於1957年給出了最早的合成孔徑圖像。但是，由於圖像質量及分辨率都不高，當時幾乎取消了SAR的研究計劃。當時的分辨率指標是約16m，現在已經進入了SAR的興盛時期。表1給出了系統常用頻率及波長範圍，表2列出一些星載及機載SAR成像雷達的參數。

表1 SAR系統常用頻率及波長範圍

注：L、C及X是最常用的頻帶。P及L頻帶用於葉簇穿透、地表下成像以及生物量估計；C、S及X頻帶用於海洋、冰層及沉陷監測；X及Ku頻帶用於積雪監測；X及Ka用於高分辨率成像。

表2 一些星載及機載SAR成像雷達的參數

四、合成孔徑(側掃)聲吶的發展

海洋佔據地球表面約70%的面積，是人類開展交通運輸、軍事鬥爭和獲取資源的場所。這就必須有在海洋中觀測、通訊、導航、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。

實孔徑側掃聲吶(SSS)多為拖曳方式工作，如圖3所示。

圖3 側掃聲吶拖曳工作方式及聲圖

最早的側掃聲吶實驗是Hagemann(1958)為美國海軍完成的，直到1980年才解密發表。基於Hagemann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掃聲吶。很快，側掃聲吶就成為海底調查、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。商用側掃聲吶系統最早用於海洋水下考古，特別是尋找沉船。

與實孔徑側視雷達相似，實孔徑側掃聲吶沿運動方向有恆定的波束開角，由聲吶換能器的實際孔徑確定，側掃聲吶水平波束及聲圖見圖4。

圖4 側掃聲吶水平波束及聲圖

實孔徑側掃聲吶技術特性可歸納為水平波束恆定角分辨率，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(側掃)聲吶(SAS)與合成孔徑側視雷達類似：利用小孔徑水聲換能器，在直線運動軌跡上均速移動，並在確定位置順序發射，接收並存儲回波信號。根據空間位置和相位關係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。與合成孔徑側視雷達相同，合成孔徑(側掃)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，可採用低頻工作；且與距離無關。

雷達應用電磁波，在空氣中的傳播速度約為300000km/s；聲吶應用聲波，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、質量大，系統複雜程度高。

在複雜多變的海洋環境中，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(側掃)聲吶的系統複雜性。

早在20世紀70年代中期，合成孔徑技術就已經嘗試用於側掃聲吶。在1975年，Cutrona提出了合成孔徑聲吶的一種設計程序，建議採用多波束系統，以提高拖曳方向採樣率。大約在同時期，Williams進行了合成孔徑聲吶拖曳試驗。

受應用環境物理參數制約，合成孔徑聲吶的研發與應用滯後雷達多年。應用需求不迫切，也延緩了合成孔徑聲吶的研發。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。在當時的態勢下，水雷對抗艦艇上裝備的聲吶設備在大多情況已滿足需求。因而，相對複雜的SAS系統並未受到充分關注。

當水雷對抗的戰略戰術重點轉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)的研發及日益拓展的應用，為合成孔徑聲吶提供了比水面船隻拖曳的拖體更為穩定、可靠的載體，也促進了合成孔徑聲吶系統的性能改進及廣泛應用。

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機構之一，負責NATO的海上研發，支持NATO的海上作業需求。

NURC在1998年啟動了水雷對抗合成孔徑聲吶的研發項目，於2002年按NURC的高水平合成孔徑聲吶系統技術指標進行了國際招標。2003年1月，Thales公司中標，按NURC設計指標研製SAS系統；Bluefin公司提供AUV，IXSEA公司提供慣導系統。2006年6月，在馬里納迪卡拉拉(Marinadi Carrara)區域完成了水上實驗。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，供應市場；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穩定DPC(G-DPC)導航系統。

⒉CSSRELIANT/SAS21系統

沿海系統站(CoastalSystemsStation,CSS)位於美國佛羅里達州巴拿馬市聖安德魯灣，是美國海軍的一個重要實驗室。其任務為水雷戰、兩棲戰、海上特種戰、潛水及生命支持的研究、開發、測試及評估，還包括沿海軍事行動及其他受到特別關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中最具有挑戰性的兩個項目，這兩個項目的有機結合將提供能力超強、應用廣泛的水下成像系統。當時，已有數個這樣的項目在實施，大多為軍事應用。CSS用自已開發的SAS系統與BluefinAUV集成，在2003年完成了初步實驗。

CSS的AUV/合成孔徑聲吶系統名為RELIANT/SAS21系統，據稱是第一個結合了AUV及SAS技術的水雷對抗實驗系統。其載體AUV的型號是Reliant，由Bluefin公司開發，長約3m，直徑約0.53m。

SAS21系統雙側、雙頻同時工作，低頻為15kHz～32kHz，高頻為165kHz～195kHz。高低頻發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”的基礎上研發的多子陣干涉合成孔徑聲吶，適裝於AUV。其主要技術指標為分辨率優於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；頻率範圍為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、合成孔徑聚焦技術在無損檢測及醫學成像上的發展

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試圖應用於超聲成像。在20世紀七八十年代，合成孔徑主要是用於無損檢測，採用收發共置換能器，如圖6所示。

圖6 收發共置換能器無損檢測A-掃描數據採集

合成孔徑聚焦技術(SAFT)利用機電掃描系統，控制換能器沿預定路徑移動，在預定位置發射並接收試樣中缺陷反射的回波信號。換能器位置、發射信號及回波信號波形全部存儲在系統中。合成孔徑聚焦處理程序在設定的深度內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主要用於焊縫無損檢測，還可用於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。採用2MHz橫波斜探頭，探測到75mm深的裂隙。45◦斜入射探頭沿鑽孔內壁掃描，裂隙在外壁。經破壞性探查核實，裂隙深度與SAFT-成像結果符合，誤差±2mm。

圖7 中心鑽孔件與裂隙SAFT-成像

換能器線陣應用到合成孔徑超聲成像後，有不同的實現方式。最簡單的系統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射，接收回波信號並存儲在系統中。依次由陣元1至N重複N次後，由系統中調取數據相干疊加，得到高分辨聲圖。

圖8 合成孔徑聚焦的發射及接收

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射及接收(M＝K)

發射時只激活一個陣元，線陣中的全部陣元接收回波，稱為“發射合成孔徑”(STA)，其模式如圖10所示。

圖10 發射合成孔徑的發射及接收

為了提高聲圖刷新率，可以應用“稀疏發射合成孔徑(SparseSTA)”模式，其模式如圖11所示。稀疏發射合成孔徑模式在每次發射時，激活N/M＞1個陣元，全部陣元接收回波信號。一幀數據採樣結束後，調取全部M×N個回波信號用於重建聲圖。

圖11 稀疏發射合成孔徑的發射及接收

接收合成孔徑(SRA)的模式如圖12所示。發射時，激活全部陣元；接收時，將線陣分為Ns=N/KR個子陣。每發射一次，一個接收子陣將KR個陣元接收到的回波信號疊加並存儲。然後，向同方向發射同樣的脈衝信號，其他子陣按序接收回波，疊加並存儲。最後，調出所有子陣的回波信號，相干處理形成高分辨聲圖。

圖12 接收合成孔徑的發射及接收

六、結論

自20世紀50年代至今，合成孔徑在雷達地面、海面成像中的研發及應用已經進入了黃金時代，實際分辨率遠遠超出了初期的設想。但是，系統誤差，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，始終是受到關注的研發課題。自20世紀七八十年代以來，合成孔徑成像已應用到無損檢測及醫療診斷方面，有效地提高了超聲成像的分辨率及信噪比，其研發及應用推廣受到了多方關注。此外，在合成孔徑技術的各方面應用中，3D-成像及目標自動識別與分類都是研究熱點。