多波束测深声纳孔径合成机理与三维高分辨探测技术

Synthetic Aperture Sonar / Interferometric Synthetic Aperture Sonar (SAS / InSAS) technique is an effective combination of synthetic aperture technique and sidescan sonar / interferometric sidescan sonar technique, which are hot-spots of underwater high-accuracy surveying techniques currently. Whereas InSAS bathymetric technique has some deficiencies, the project attempts to combine synthetic aperture sonar technique and multibeam bathymetric sonar technique, and studies the three dimension high resolution detection technique based on the multibeam synthetic aperture sonar (MbSAS),mainly including: (1)MbSAS array structure optimization design;(2)MbSAS echo simulation technique;(3)MbSAS azimuth synthesis technique;(4)MbSAS high resolution bathymetric technique;(5)experiment and test in pool.The research aims at: paying attention to the double advantages of combination of multibeam bathymetric sonar technique and synthetic aperture technique, studying the high resolution detection problem in three dimension of along-track (azimuth direction), cross-track (athwartship direction) and depth (vertical direction) from a new aspect, and improving the underwater object three dimension high-accuracy detection ability of multibeam bathymetric sonar. The research achievement can not only improve the level of multibeam bathymetric sonar technique in our country, but also provide essential academic instructions for subsequent research on MbSAS engineering feasibility.

合成孔径声纳/干涉合成孔径声纳(SAS/InSAS)技术是合成孔径技术和侧扫声纳技术/相干侧扫测深声纳技术的有效结合，是当前水下精细探测技术的研究热点。鉴于InSAS测深能力的不足，本项目尝试在多波束测深声纳中引入合成孔径技术，开展多波束合成孔径声纳(MbSAS)三维高分辨探测技术研究，主要研究内容包括：(1)MbSAS 阵列结构优化设计；(2)MbSAS 回波模拟技术；(3)MbSAS方位向合成技术；(4)MbSAS高分辨测深技术；(5)水池试验验证。研究目标：结合多波束测深声纳和合成孔径技术带来的双重优势，从一个新的角度研究航向(方位向)、横向(条带方向)以及深度(垂向)三维高分辨探测问题，提高多波束测深声纳对水下目标的三维精细探测能力。本项目研究成果不仅可以促进国内多波束测深声纳技术的高水平提升，而且可以为后续MbSAS 实用化的可行性研究提供必需的理论指导。

近年来随着现代水声信号处理技术和水声换能器技术的大幅度进步，水下目标精细探测和成像声纳技术已然成为了国内外研究的重要课题，如何有效的提升水下目标成像的分辨率，逐渐的成为了研究人员瞩目的热点问题。鉴于InSAS系统存在测深能力不足的问题，本项目在多波束测深声呐中引入合成孔径技术，开展了多波束合成孔径声呐（MbSAS）三维高分辨探测技术研究。首先，进行了MbSAS声呐换能器阵列优化设计技术研究，确定了单通道发射和二维多通道平面接收的MbSAS换能器阵列优化设计方案，并外协加工制作了声学换能器基阵。其次，分别基于三维空间点目标回波模型、三角面元声线追踪的阴影计算模型和Lambert定律的反向散射模型进行了高精度的三维回波数据仿真，为项目后续算法研究提供有力支撑。再次，采用了二维聚焦波束形成算法作为MbSAS成像技术的基础，通过计算机仿真和水池试验数据处理验证了其正确性。之后，提出了多波束合成孔径声呐相干算法，利用相位差解算得到高分辨的方位估计，从而可以获得高精度的深度估计。最终，设计完成了多波束合成孔径声呐系统电路，结合换能器基阵进行了水池试验。试验结果表明，航迹向合成算法能够有效的提高目标分辨力，该结果不仅证明了项目达到了预期的技术指标，而且也证明了项目中所采用的MbSAS成像技术的有效性。本课题按照计划有序进行，完成了所有预定研究内容，并且在预定研究内容之外又根据多波束合成孔径声呐的实际应用需求，开展了多波束合成孔径声呐运动姿态补偿方法研究，能够有效的解决载体运动姿态误差所引起的声呐图像散焦问题，为后续研究和设备工程化打下了良好的基础。