侧扫声纳是利用入射声波在物体表面的散射原理获取水底地形地貌特征，提供水底形态直观声学图像的水声设备，可以广泛应用在海洋勘测、水雷探测和打捞沉船飞机残骸等水下探测活动上。
相比传统侧扫声纳，多波束侧扫声纳沿方位向形成多个平行的波束，一发多收，提高了信号的空间采样率，很好地解决了近程和高速拖曳情形下目标丢失的“灯下黑”现象。近年来，美国L-3Klein公司的Klein5900、Klein5000_V2多波束侧扫声纳代表了世界侧扫声纳发展的最前沿水平，可以得到高质量的图像。但国内多波束侧扫技术研究不充分，工作机理分析得不够透彻，且在高速扫测时存在图像质量下降的问题。
图1 Shark-S455MPRO多波束侧扫声纳对沉船的精准定位和成像
本文通过对设计出的多波束侧扫侧扫声纳系统进行点目标的回波仿真，分析了多波束侧扫方位向线分辨率的仿真结果与理论值的差异，将多波束侧扫成像与合成孔径成像建立联系。
一、多波束侧扫声纳及其设计
⒈单波束侧扫声纳
声纳的波束形状如图2所示，波束宽度与方位向线分辨率分别为
θ＝0.886λ/L ⑴
ρa＝θ×R＝0.886λ×R/L ⑵
其中λ，L分别为波长和阵长。R为距离向探测距离。
图2 单波束侧扫示意图
⒉多波束侧扫声纳
通过改变声纳接收基阵的阵长使得接收波束的形状变为分段的拼接状，在方位向形成多个平行的接收波束，如图3所示一共将接收波束在距离向上分成了三段。
图3 多波束侧扫示意图
在第一个距离区间内，分组后形成4个接收波束，该区域会发生目标的遗漏，但该段的最大成像距离处实现了接收波束的全覆盖；在第二个距离区间内，保持第一段距离区间内的分组情况不变，也形成4个波束，该区域出现了波束扫描的重叠，为阴影部分；在第三个距离区间内，波束个数变为3，单个波束需要的子阵数与上个区间相同，也出现了同样的重叠区域，此时不需要使用全部阵长的接收子阵。在第二与第三区间内，没有出现接收波束的照射盲区，减小了目标的遗漏范围。理想情况下，该多波束在扫测的距离范围内，能有效地减少近程和高速扫测时目标的遗漏。
⒊多波束侧扫声纳与合成孔径声纳
如图4所示，多波束侧扫声纳本质上是用真实孔径来替代合成孔径声纳基阵的匀速直线运动。
图4 合成孔径阵列几何关系
合成孔径尺寸Ls，方位向线分辨率ρc分别为：
Ls＝R×λ/D ⑶
ρc＝R×λ/2Ls＝D/2 ⑷
其中λ，D分别为波长和发射阵尺寸，R为距离向探测距离。由于多波束侧扫声纳波长很短，合成孔径长度小于阵长。由于不同距离所需的合成孔径长度是不同的，近距离时沿轨方向完整合成孔径长度的区间大，随距离增加，这个区间逐步缩小，远距离时只有在接收阵中间（假定发射阵也位于中间）位置的点（图4中的C点）才是完全孔径，偏离中心的点都不是完全合成孔径。
因此多波束侧扫声纳只有近距离中间波束才能得到发射阵长一半的方位向线分辨率，旁边的波束分辨率将下降。
因此合成孔径声纳设计的方法可以指导多波束侧扫声纳的设计。
⒋多波束侧扫声纳系统设计
(1)基阵设计
系统设计分为阵的设计和相关参数的设计，其中阵的设计是关键，尽管可以照搬武汉环达公司的MSS300多波束侧扫声纳或Klein5900的阵形参数，但并不知道其设计方法。通过合成孔径知识可以得出如下的参数设计指导准则：
①发射阵长
发射阵长由最近处的方位线分辨率给定由于多波束侧扫声纳的本质是实现合成孔径成像，根据合成孔径方位线分辨率计算公式可知，发射阵长由实现合成孔径成像的探测距离处所需要的方位分辨率ρa给定：
Dt＝2ρa ⑸
②接收阵的长度
多波束侧扫声纳在最大探测距离处使用全部接收阵长，按照最大探测距离处的方位分辨率要求ρamax，根据波束宽度与方位向线分辨率公式可将接收阵总长设计为：
L＝0.886Rmax×λ/ρamax ⑹
③接收子阵的阵长
为了满足空间采样率要求，子阵阵长至多等于发射阵阵长，此时相当于奈奎斯特采样率为1倍带宽（复采样），实际应用中略小于发射阵。首先引入偏置相位中心(Displaced Phase Center, DPC)的概念。对于单发多收的基阵，在距离远大于阵长条件下，发射阵到目标的距离和目标回波到各接收子阵距离之和近似等于偏置相位中心到目标的距离的两倍。如图5所示，偏置相位中心定义为发射阵声相位中心(通常也是几何中心)和接收子阵相位中心连线的一半位置，三个子阵的等效相位中心分别如圆圈所示。偏置相位中心给出了多子阵在沿轨方向的采样点等效位置。
图5 偏置相位中心示意图
为了满足空间采样定理，等效相位中心间隔必须小于或等于发射阵长一半，而等效相位中心间隔为子阵阵长的一半，接收子阵长度必须小于发射阵长，但这个空间采样率为临界采样率，为了改善成像性能，可以提高空间采样率，即减小子阵长度，同时应考虑经济成本，因此有：
D/2<=d<=D ⑺
④子阵个数
N=round(L/d) ⑻
本文以MSS300多波束侧扫声纳验证相关设计。
(2)工作参数的设计
①脉冲重复间隔
脉冲重复间隔由最大探测距离Rmax决定：
PRI=2Rmax/c ⑼
②拖曳速度
改变拖曳速度v会使得方位向空间采样率发生变化，方位采样率需要满足合成孔径均匀采样条件：
PRI*v=L/2 ⑽
③信号带宽
信号带宽由距离分辨率要求ρr给定：
B=c/2ρr ⑾
综合上述系统设计方法，由于本文的实测数据是利用MSS 300多波束侧扫声纳测得，参考先进多波束侧扫产品如MSS 300的系统参数，本文多波束侧扫声纳的工作参数可以设计为：声纳工作频率f0为300kHz；最大探测距离Rmax为135m；声速c为1500m/s；拖曳速度v为3.33m/s；脉冲重复周期PRI为0.18s；发射的信号形式为LFM-chirp信号；信号带宽B取20kHz；脉冲宽度取4ms。以上完成了声纳工作参数的设计。
下面进行阵形参数的设计。依旧参照MSS 300的参数，根据侧扫声纳的波束宽度与方位线分辨率公式，求得MSS 300声纳在不同距离处所需的方位线分辨率ρa，设计发射阵尺寸Dt为0.39m；计算出MSS 300在最大探测距离处的接收波束方位线分辨率，将总接收阵长L设计为1.2m；将接收子阵的尺寸d设计为0.075m，子阵个数为16个。根据MSS 300的实际工作情况，将单个发射基阵设计在总接收阵的中心位置。阵的设计如图6所示（数值的单位为cm）。至此完成了多波束侧扫声纳系统的初步设计，通过点目标仿真结果可以验证设计方法的正确性并指导系统参数的修改。阵的设计如图6所示。
图6 阵的设计
二、仿真与结果分析
利用设计好的基阵进行点目标回波仿真，假设声纳只接收一个脉冲信号且采用“停走停”模型，将点目标放在波束中心位置，观察距离向探测距离R为20m、40m、80m三处点目标的回波仿真结果，再利用距离多普勒（RD）算法对回波数据进行距离徙动校正，得到点目标的图像，最后从点目标的方位向剖面图中得到方位向线分辨率。
⒈仿真结果
图7为探测距离R＝20m处的点目标回波图。
图7 R＝20m处的回波
查看回波矩阵数据可知道接收到回波信号的子阵个数。再对R为40m、80m的点目标进行仿真，接收到回波的子阵个数如表1所示。表1 不同探测距离时接收到回波的子阵个数
R/m
接收到回波的子阵个数
20
8
40
14
80
32
利用RD算法补偿波前弯曲得到R＝20m处的点目标图像及其方位向剖面图，如图8、9所示。
图8 补偿波前弯曲后的R＝20m处点目标图像
图9 R＝20m处的点目标方位向剖面图
量取图9中图像在-3dB处的主瓣宽度，该宽度对应R＝20m处的方位向线分辨率ρ＝0.07m。同样用RD算法对R为40m、80m的点目标回波数据进行处理，得到不同探测距离处的方位向线分辨率。
⒉仿真结果分析
表1的结果表明，当探测距离R不同时，接收到回波信号的子阵个数不同，接收总阵长也不同。多波束侧扫声纳的接收总阵长对应合成孔径长度，由于不同距离所需的合成孔径长度是不同的，结果应证了多波束侧扫声纳是用真实孔径替代合成孔径声纳的合成孔径这一本质。
表2的结果表明，不同距离处的方位向线分辨率都为8cm，符合合成孔径成像的理论，线分辨率没有达到发射阵长的一半6cm是由于空间采样率不高。
表2 不同探测距离处的方位向线分辨率
R/m
ρ/m
20
0.07
40
0.08
80
0.08
图8为补偿波前弯曲后的点目标图，证明了合成孔径成像算法对多波束侧扫声纳成像的有效性，在RD成像算法的基础上修改后得到多波束侧扫声纳逐线成像算法。点目标的仿真结果验证了理论分析和算法的有效性。
⒊ 湖试实验验证
使用MSS 300多波束侧扫声纳获得湖底试验数据，试验场景为湖北省荆门市漳河湖底。
图10为湖底实测图像，横坐标代表距离向，纵坐标代表方位向。不使用成像算法处理多个脉冲下的方位向采样数据，直接利用实孔径成像方法，将数据在方位向上按脉冲次序排列起来，得到实测图像。根据系统参数可以判断方位向采样是非均匀的，因此图中部分区域的图像质量不高。
图10 未经处理的实测图像
图11为采用RD算法处理上述实测数据得到的湖底图像。为满足合成孔径算法成像条件，我们使用16个子阵数据中的10个，使方位向接近空间均匀采样。
图11 RD算法处理后的湖底图像
对比上述两幅湖底图像，观察不到明显差别。为此我们放大两幅图像的右下角部分，如图12所示。左侧为未经处理的实测图像片段，右侧为RD算法处理后的图像片段。对比图像片段可知，经RD算法处理后，各子阵数据的相位误差与延时误差得到了补偿，图像中的沙纹与沟壑清晰度更高，线条与黑坑更加明显，图像质量得到了很大改善。
（a)未经处理的实测图像片段；(b)RD算法处理后的图像片段
图12 右下角图像片段对比
三、结语
多波束侧扫声纳本质上是利用真实孔径实现合成孔径，可以用合成孔径相关理论指导其设计，且可以用合成孔径成像算法实现其成像算法，且性能更优。
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1【作者简介】文/黄梓楠 唐劲松 马梦博 吴浩然，来自海军工程大学电子工程学院。第一作者黄梓楠，男，硕士研究生，研究方向为水声信息与信号处理。本文为基金项目，国家自然科学基金项目“基于拉格朗日反演的宽波束多子阵合成孔径声纳成像算法研究”（编号：41906162）。文章来自《舰船电子工程》（2022年第4期），参考文献略，用于学习与交流，编发时有所作者修改，版权归作者及出版社共同拥有，本文转载已取得了作者授权。
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