合成孔径成像的原理及发展

一、引言

合成孔径成像自20世纪50年代提出，应用于雷达成像，历经70年的研发，已经日趋成熟，成功地用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等领域。受物理环境制约，合成孔径在声呐成像中的研发与应用起步稍迟，滞后于雷达，近年来在民用及军事领域的研究与应用进展加速。此外，近年来合成孔径成像在声学无损检测、医学超声成像等领域的研发也有长足进步，并扩展到其他领域如光学、微波成像等。本文简要介绍了条带合成孔径成像的原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方面的应用及发展。

二、合成孔径成像原理

条带合成孔径成像利用小孔径基阵，在直线运动轨迹上均速移动，并在确定位置顺序发射，接收并存储回波信号。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，合成虚拟大孔径的基阵，从而获得沿运动方向的高分辨率。

在1985年的先驱奖故事中，合成孔径雷达(SAR)的发明者Wiley谦逊地说：我有幸想到了一个基本想法，我称之为多普勒波束锐化(DBS)，而不是合成孔径雷达。和所有信号处理一样，有一个双重理论：一个是频域解释，这是多普勒分析；在时域内分析系统，这就是合成孔径雷达。在时间域对合成孔径成像的“合成阵列”的解释如图1所示。

图1 合成阵列原理

其中，阵元或天线水平长度为L，水平波束开角为θ=＝λ/L。工作频率时，波长为λ。阵元行进轨迹为直线，点目标与行进轨迹的垂直距离为R。阵元在位置1时，目标进入波束；阵元在位置N时，目标退出波束。合成孔径阵元数为N，合成孔径长为D＝R×θ=＝R×λ/ L，合成孔径波束开角为θsyn＝λ/D＝λ/（R×(λ/L)）＝L/R。

采样结束，合成孔径波束形成后处理时，对不同位置的回波信号进行相干叠加，需要计算阵元发射信号至目标、目标反射信号返回阵元的往返声程2R。因此，合成孔径波束开角实际应为θsyn＝λ/2D＝λ/(2R×(λ/L)) ＝L/2R。距直线轨迹垂直距离为R时，合成孔径波束形成的线分辨率为δsyn＝R×θsyn＝R×L/2R＝L/2。

20世纪50年代在雷达成像中提出“合成孔径”原理时，称为“多普勒波束锐化”。这时在频率域对合成孔径成像的解释如图2所示。

图2 多普勒频移原理

实孔径为D的雷达天线或声呐换能器阵元沿x轴自左至右匀速运行，发射并接收位于A的点目标的回波信号。阵元速度为v，在x轴上位置为x＝vt。

回波信号的多普勒频移为

fd＝2v/λ×sinθ≈2v/λtanθ＝2v/(R0λ)x＝2v2/(R0λ)t        ⑴

多普勒频移变化率μ＝dfd/dt＝2v2/ R0λ，点目标进入并退出波束的持续时间为T＝(R0λ/Dv)×c，回波信号的多普勒带宽为Bd＝Tμ＝2v/D。

因此，合成孔径线分辨率为

δsa＝v/Bd＝D/2          ⑵

极限情况：θmax＝π/2，fmax＝2v/λ，Bmax＝4v/λ。

合成孔径极限分辨率为

δmax＝v/Bd＝λ/4        ⑶

三、合成孔径雷达的发展

1951年，美国Goodyear公司的Wiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率，此概念最先应用在射电天文学及雷达成像。

数个月后，美国伊利诺依大学及密歇根大学的研究人员独立研发了SAR。密歇根大学的研究人员于1957年给出了最早的合成孔径图像。但是，由于图像质量及分辨率都不高，当时几乎取消了SAR的研究计划。当时的分辨率指标是约16m，现在已经进入了SAR的兴盛时期。表1给出了系统常用频率及波长范围，表2列出一些星载及机载SAR成像雷达的参数。

表1 SAR系统常用频率及波长范围

注：L、C及X是最常用的频带。P及L频带用于叶簇穿透、地表下成像以及生物量估计；C、S及X频带用于海洋、冰层及沉陷监测；X及Ku频带用于积雪监测；X及Ka用于高分辨率成像。

表2 一些星载及机载SAR成像雷达的参数

四、合成孔径(侧扫)声呐的发展

海洋占据地球表面约70%的面积，是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有在海洋中观测、通讯、导航、定位的工具。在海洋中可检测很多物理场，如：磁场、水压场、尾流场、温度场等。这此物理场的可检测距离大致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。而水声技术在其中扮演了重要的角色。声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息的物理场。声波与电磁波的衰减之比如下：10kHz声波在水中衰减仅约1dB/km，10kHz电磁波在水中衰减高达3000dB/km。

实孔径侧扫声呐(SSS)多为拖曳方式工作，如图3所示。

图3 侧扫声呐拖曳工作方式及声图

最早的侧扫声呐实验是Hagemann(1958)为美国海军完成的，直到1980年才解密发表。基于Hagemann的工作，西屋公司(Westinghouse)在20世纪60年代初建造了第一台实用的侧扫声呐。很快，侧扫声呐就成为海底调查、海底成像方面的重要工具，揭示了海底上很多以往不为人知的细节。商用侧扫声呐系统最早用于海洋水下考古，特别是寻找沉船。

与实孔径侧视雷达相似，实孔径侧扫声呐沿运动方向有恒定的波束开角，由声呐换能器的实际孔径确定，侧扫声呐水平波束及声图见图4。

图4 侧扫声呐水平波束及声图

实孔径侧扫声呐技术特性可归纳为水平波束恒定角分辨率，它与对波长归一化的阵长成反比，θ=＝λ/L。其中，阵元或天线水平长度为L；工作频率时，波长为λ。距离增加时，水平线分辨率降低，δ=＝R×θ=＝R×(λ/L)。

合成孔径(侧扫)声呐(SAS)与合成孔径侧视雷达类似：利用小孔径水声换能器，在直线运动轨迹上均速移动，并在确定位置顺序发射，接收并存储回波信号。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，合成虚拟大孔径的基阵，从而获得沿运动方向的高分辨率。与合成孔径侧视雷达相同，合成孔径(侧扫)声呐沿运动方向的水平线分辨率为θsyn＝L/2，其中，L为基阵长度。该水平线分辨率与频率无关，可采用低频工作；且与距离无关。

雷达应用电磁波，在空气中的传播速度约为300000km/s；声呐应用声波，在水中的传播速度仅为c＝1.5km/s。工作距离为R、达到运动速度v时，多接收子阵合成孔径声呐基阵的物理长度最小为L＝4vR/c，每一接收子阵的水平宽度为方位向分辨率的两倍。与实孔径声呐比较，种种这些因素使得合成孔径声呐的基阵体积大、质量大，系统复杂程度高。

在复杂多变的海洋环境中，拖体不可能严格地沿直线航迹匀速运动，运动误差如图5所示。

图5 合成孔径(侧扫) 声呐运动误差

合成孔径成像要求运动误差＜±(λ/8～λ/4)，λ100kHz≈15mm，λ10kHz≈150mm。对运动误差的要求更增加了合成孔径(侧扫)声呐的系统复杂性。

早在20世纪70年代中期，合成孔径技术就已经尝试用于侧扫声呐。在1975年，Cutrona提出了合成孔径声呐的一种设计程序，建议采用多波束系统，以提高拖曳方向采样率。大约在同时期，Williams进行了合成孔径声呐拖曳试验。

受应用环境物理参数制约，合成孔径声呐的研发与应用滞后雷达多年。应用需求不迫切，也延缓了合成孔径声呐的研发。一份报告指出：早期水雷对抗的目的是检测，识别大型号、几何形状简单的水雷，如2m长的圆柱体目标。在当时的态势下，水雷对抗舰艇上装备的声呐设备在大多情况已满足需求。因而，相对复杂的SAS系统并未受到充分关注。

当水雷对抗的战略战术重点转移至较浅的近沿海水域，对抗目标物为较小型号、更为隐蔽的水雷及机动武器时，新的需求要求声呐分辨率大幅提高。水下无人航行器(UUV)或自治水下航行器(AUV)的研发及日益拓展的应用，为合成孔径声呐提供了比水面船只拖曳的拖体更为稳定、可靠的载体，也促进了合成孔径声呐系统的性能改进及广泛应用。

⒈NURC浅水合成孔径声呐

北约海底研究中心(NURC)是北大西洋公约组织(NATO)下属的三个研究与技术机构之一，负责NATO的海上研发，支持NATO的海上作业需求。

NURC在1998年启动了水雷对抗合成孔径声呐的研发项目，于2002年按NURC的高水平合成孔径声呐系统技术指标进行了国际招标。2003年1月，Thales公司中标，按NURC设计指标研制SAS系统；Bluefin公司提供AUV，IXSEA公司提供惯导系统。2006年6月，在马里纳迪卡拉拉(Marinadi Carrara)区域完成了水上实验。NURC完成的浅水SAS的载体是Bluefin-21，直径0.53m，长3.5m，由Bluefin公司批量生产，供应市场；该SAS的工作频率为270kHz～330kHz；由36个主接收阵元组成，总长1.2m；沿运动方向的水平分辨率为1.6cm；运动补偿方案为罗经稳定DPC(G-DPC)导航系统。

⒉CSSRELIANT/SAS21系统

沿海系统站(CoastalSystemsStation,CSS)位于美国佛罗里达州巴拿马市圣安德鲁湾，是美国海军的一个重要实验室。其任务为水雷战、两栖战、海上特种战、潜水及生命支持的研究、开发、测试及评估，还包括沿海军事行动及其他受到特别关注的先进对抗策略研究。

CSS在2003年的报告中指出：合成孔径声呐、水下自治潜器是水下研究与开发中最具有挑战性的两个项目，这两个项目的有机结合将提供能力超强、应用广泛的水下成像系统。当时，已有数个这样的项目在实施，大多为军事应用。CSS用自已开发的SAS系统与BluefinAUV集成，在2003年完成了初步实验。

CSS的AUV/合成孔径声呐系统名为RELIANT/SAS21系统，据称是第一个结合了AUV及SAS技术的水雷对抗实验系统。其载体AUV的型号是Reliant，由Bluefin公司开发，长约3m，直径约0.53m。

SAS21系统双侧、双频同时工作，低频为15kHz～32kHz，高频为165kHz～195kHz。高低频发射波形与功率独立编程控制。低频分辨率为7:62cm×7:62cm；高频分辨率为2:54cm×2:54cm。

⒊HISAS1030＋HUGIN1000MRAUV

HISAS1030是KongsbergMaritime(KM)公司在原型机“Sensotech”的基础上研发的多子阵干涉合成孔径声呐，适装于AUV。其主要技术指标为分辨率优于5cm×5cm(理论值2cm×2cm)；速度为2m/s时，工作距离为200m，速度为1.5m/s时，工作距离为275m；干涉测深分辨率为5cm×5cm～50cm×50cm；频率范围为60kHz～120kHz；带宽为50kHz。2008年2月，在挪威奥斯陆海湾进行了海试，水深50m～100m，AUV高度约为25m。

五、合成孔径聚焦技术在无损检测及医学成像上的发展

自20世纪60年代末及70年代初，同样是为了改善沿换能器移动方向的分辨率，合成孔径原理就已经试图应用于超声成像。在20世纪七八十年代，合成孔径主要是用于无损检测，采用收发共置换能器，如图6所示。

图6 收发共置换能器无损检测A-扫描数据采集

合成孔径聚焦技术(SAFT)利用机电扫描系统，控制换能器沿预定路径移动，在预定位置发射并接收试样中缺陷反射的回波信号。换能器位置、发射信号及回波信号波形全部存储在系统中。合成孔径聚焦处理程序在设定的深度内对回波信号做线聚焦(2D-SAFT)或点聚焦(3D-SAFT)处理。2D-SAFT的信噪比可以提高8～10dB，3D-SAFT可以提高16～18dB。

20世纪八九十年代，SAFT主要用于焊缝无损检测，还可用于薄壁及厚壁部件无损检测。图7是一个非常厚的部件，壁厚325mm。采用2MHz横波斜探头，探测到75mm深的裂隙。45◦斜入射探头沿钻孔内壁扫描，裂隙在外壁。经破坏性探查核实，裂隙深度与SAFT-成像结果符合，误差±2mm。

图7 中心钻孔件与裂隙SAFT-成像

换能器线阵应用到合成孔径超声成像后，有不同的实现方式。最简单的系统是合成孔径聚焦方式。其模式如图8所示，换能器线阵有N个阵元，每次只激活一个阵元发射，接收回波信号并存储在系统中。依次由阵元1至N重复N次后，由系统中调取数据相干叠加，得到高分辨声图。

图8 合成孔径聚焦的发射及接收

为了提高信噪比，每次可以激活M＞1个阵元，称为多阵元合成孔径聚焦(M-SAF)，其模式如图9所示。

图9 多阵元合成孔径聚焦的发射及接收(M＝K)

发射时只激活一个阵元，线阵中的全部阵元接收回波，称为“发射合成孔径”(STA)，其模式如图10所示。

图10 发射合成孔径的发射及接收

为了提高声图刷新率，可以应用“稀疏发射合成孔径(SparseSTA)”模式，其模式如图11所示。稀疏发射合成孔径模式在每次发射时，激活N/M＞1个阵元，全部阵元接收回波信号。一帧数据采样结束后，调取全部M×N个回波信号用于重建声图。

图11 稀疏发射合成孔径的发射及接收

接收合成孔径(SRA)的模式如图12所示。发射时，激活全部阵元；接收时，将线阵分为Ns=N/KR个子阵。每发射一次，一个接收子阵将KR个阵元接收到的回波信号叠加并存储。然后，向同方向发射同样的脉冲信号，其他子阵按序接收回波，叠加并存储。最后，调出所有子阵的回波信号，相干处理形成高分辨声图。

图12 接收合成孔径的发射及接收

六、结论

自20世纪50年代至今，合成孔径在雷达地面、海面成像中的研发及应用已经进入了黄金时代，实际分辨率远远超出了初期的设想。但是，系统误差，尤其是机载雷达运动误差降低了实际能达到的分辨能力。受多变的海洋环境影响，运动误差检测与补偿对提高合成孔径声呐的实际分辨率尤为重要，始终是受到关注的研发课题。自20世纪七八十年代以来，合成孔径成像已应用到无损检测及医疗诊断方面，有效地提高了超声成像的分辨率及信噪比，其研发及应用推广受到了多方关注。此外，在合成孔径技术的各方面应用中，3D-成像及目标自动识别与分类都是研究热点。