合成孔徑成像的原理及發(fā)展

一、引言

合成孔徑成像自20世紀(jì)50年代提出，應(yīng)用于雷達(dá)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(dá)，近年來在民用及軍事領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)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(jìn)步，并擴(kuò)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(dá)、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(yùn)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(jìn)行相干疊加處理，合成虛擬大孔徑的基陣，從而獲得沿運(yùn)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(dá)(SAR)的發(fā)明者Wiley謙遜地說：我有幸想到了一個(gè)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(dá)。和所有信號處理一樣，有一個(gè)雙重理論：一個(gè)是頻域解釋，這是多普勒分析；在時(shí)域內(nèi)分析系統(tǒng)，這就是合成孔徑雷達(dá)。在時(shí)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(shí)，波長為λ。陣元行進(jìn)軌跡為直線，點(diǎn)目標(biāo)與行進(jìn)軌跡的垂直距離為R。陣元在位置1時(shí)，目標(biāo)進(jìn)入波束；陣元在位置N時(shí)，目標(biāo)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(shí)，對不同位置的回波信號進(jìn)行相干疊加，需要計(jì)算陣元發(fā)射信號至目標(biāo)、目標(biāo)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(shí)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(shí)，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(jì)50年代在雷達(dá)成像中提出“合成孔徑”原理時(shí)，稱為“多普勒波束銳化”。這時(shí)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(shí)孔徑為D的雷達(dá)天線或聲吶換能器陣元沿x軸自左至右勻速運(yùn)行，發(fā)射并接收位于A的點(diǎn)目標(biāo)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(diǎn)目標(biāo)進(jìn)入并退出波束的持續(xù)時(shí)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(dá)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(dá)角分辨率，此概念最先應(yīng)用在射電天文學(xué)及雷達(dá)成像。

數(shù)個(gè)月后，美國伊利諾依大學(xué)及密歇根大學(xué)的研究人員獨(dú)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(shí)幾乎取消了SAR的研究計(jì)劃。當(dāng)時(shí)的分辨率指標(biāo)是約16m，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了SAR的興盛時(shí)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(jī)載SAR成像雷達(dá)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(jì)；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(jī)載SAR成像雷達(dá)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(yùn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(dá)3000dB/km。

實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)60年代初建造了第一臺實(shí)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(xì)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(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)相似，實(shí)孔徑側(cè)掃聲吶沿運(yùn)動方向有恒定的波束開角，由聲吶換能器的實(shí)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(shí)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(shí)，波長為λ。距離增加時(shí)，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(dá)類似：利用小孔徑水聲換能器，在直線運(yùn)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(jìn)行相干疊加處理，合成虛擬大孔徑的基陣，從而獲得沿運(yùn)動方向的高分辨率。與合成孔徑側(cè)視雷達(dá)相同，合成孔徑(側(cè)掃)聲吶沿運(yùn)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(dá)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(dá)到運(yùn)動速度v時(shí)，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(shí)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(yán)格地沿直線航跡勻速運(yùn)動，運(yùn)動誤差如圖5所示。

圖5 合成孔徑(側(cè)掃) 聲吶運(yùn)動誤差

合成孔徑成像要求運(yùn)動誤差＜±(λ/8～λ/4)，λ100kHz≈15mm，λ10kHz≈150mm。對運(yùn)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(jì)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(jì)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(shí)期，Williams進(jìn)行了合成孔徑聲吶拖曳試驗(yàn)。

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(dá)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(bào)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(biāo)。在當(dāng)時(shí)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(diǎn)轉(zhuǎn)移至較淺的近沿海水域，對抗目標(biāo)物為較小型號、更為隱蔽的水雷及機(jī)動武器時(shí)，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(jìn)了合成孔徑聲吶系統(tǒng)的性能改進(jìn)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(gè)研究與技術(shù)機(jī)構(gòu)之一，負(fù)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(xiàng)目，于2002年按NURC的高水平合成孔徑聲吶系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了國際招標(biāo)。2003年1月，Thales公司中標(biāo)，按NURC設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shí)驗(yàn)。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(gè)主接收陣元組成，總長1.2m；沿運(yùn)動方向的水平分辨率為1.6cm；運(yùn)動補(bǔ)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(dá)州巴拿馬市圣安德魯灣，是美國海軍的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)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(jìn)對抗策略研究。

CSS在2003年的報(bào)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(gè)項(xiàng)目，這兩個(gè)項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合將提供能力超強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的水下成像系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，已有數(shù)個(gè)這樣的項(xiàng)目在實(shí)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(shí)驗(yàn)。

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(gè)結(jié)合了AUV及SAS技術(shù)的水雷對抗實(shí)驗(yàn)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(shí)工作，低頻為15kHz～32kHz，高頻為165kHz～195kHz。高低頻發(fā)射波形與功率獨(dú)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(jī)“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(biāo)為分辨率優(yōu)于5cm×5cm(理論值2cm×2cm)；速度為2m/s時(shí)，工作距離為200m，速度為1.5m/s時(shí)，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(jìn)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(jì)60年代末及70年代初，同樣是為了改善沿?fù)Q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(jì)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(jī)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(diǎn)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(jì)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(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)陣元，每次只激活一個(gè)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(gè)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(shí)只激活一個(gè)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(shí)，激活N/M＞1個(gè)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(gè)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(shí)，激活全部陣元；接收時(shí)，將線陣分為Ns=N/KR個(gè)子陣。每發(fā)射一次，一個(gè)接收子陣將KR個(gè)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(jì)50年代至今，合成孔徑在雷達(dá)地面、海面成像中的研發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了黃金時(shí)代，實(shí)際分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了初期的設(shè)想。但是，系統(tǒng)誤差，尤其是機(jī)載雷達(dá)運(yùn)動誤差降低了實(shí)際能達(dá)到的分辨能力。受多變的海洋環(huán)境影響，運(yùn)動誤差檢測與補(bǔ)償對提高合成孔徑聲吶的實(shí)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(jì)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(biāo)自動識別與分類都是研究熱點(diǎn)。