马梦博 杨 丽 钟何平

（1.海军工程大学海军水声技术研究所 武汉 430033）（2.91114部队 上海 200434）

1 引言

合成孔径声呐（SAS）是海底测绘的重要手段［1～2］，其测绘速率也在不断提高，这意味着接收阵的加长。然而由于收发阵元之间存在一定间隔，且收发信号期间内平台存在横向移动［3～5］，因此发射信号时发射阵元与接收信号时接收阵元的方位向天线方向图存在间隔，在近距离处会导致收发阵元的3dB波束［6］不能完全重叠，甚至不重叠，从而使有效合成孔径长度减小，造成合成孔径的损失，最终将会导致方位分辨率下降。

SAS的孔径损失本质上是由收发阵元的方位向波束方向图对收发信号幅度的调制导致的。对于收发合置的SAS，忽略非停走停因素的影响，其接收信号的强度由sinc函数的平方调制（能量双程传播）［7］；但实用的SAS一般是多接收子阵模式［8～9］，且需要考虑非停走停因素的影响［3～4］，即收发信号期间内平台存在横向移动。因此，接收信号时的接收阵元方位向波束方向图相对于发射信号时的发射阵方位向波束方向图在方位向上存在间隔，从而造成孔径损失。当收发阵元的3dB波束完全重叠时，合成孔径没有损失；当收发阵元的3dB波束部分重叠时，合成孔径部分损失；当收发阵元的3dB波束没有重叠区域时，合成孔径全部损失，即距离上盲区。在高测绘速率条件下，即接收阵较长，平台速度较高时，收、发信号时的收、发阵元波束方向图之间的间隔变大，孔径损失问题更加突出，然而公开的文献中还没有对这一问题进行讨论。

首先建立孔径损失模型，给出了一般情形下有效合成孔径长度的表示方法。然后对典型SAS系统参数下发射阵在前、后和中间三种情形下的有效合成孔径长度和距离上盲区进行了理论分析，分析表明：孔径损失和距离上盲区跟接收阵长度和收发阵元波束宽度强相关，跟平台速度与声速之比弱相关。接收阵越长、收发阵元的波束宽度越窄，SAS系统的孔径损失越严重，相应的距离上盲区范围也越大；在接收阵长度一定时，发射阵在中间时系统距离上盲区小于发射阵在两端时的情形。然后通过对 Kraken 公司 的 KATFISHI MINSAS-180［10］和iXBlue公司的SAMS-DT6000［11］两型典型SAS系统的孔径损失和距离上盲区进行了仿真分析，验证了上述结论。最后研究了发射阵布置的优化，给出了接收阵长度一定时，系统距离上盲区最小时的发射阵位置布置方案。

2 孔径损失模型

图1 收发阵元波束示意图

一般情况下，接收阵元长度小于发射阵长度且接近，分辨率主要取决于发射阵长度，其合成孔径长度近似为

如图2所示，收发阵元的3dB波束重叠情况可分为三类：1）收发阵元的3dB波束没有重叠区域，如图2（a）、2（b）所示；2）收发阵元的3dB波束部分重叠，如图2（c）、2（d）所示；3）收发阵元的3dB波束完全重叠，如图2（e）、2（f）所示。

图2 收发阵元3dB波束重叠情况示意图

根据图2中收发阵元3dB波束重叠情况，定义有效合成孔径长度为

3 不同发射阵位置时孔径损失讨论

根据发射阵元位置不同，可以对横向走动距离小于等于收发阵元半波束照射宽度之差的这类SAS系统的每一收发阵元对的有效合成孔径长度分三种情况讨论。

3.1 发射阵在前

对于多接收子阵SAS系统，距离上盲区应考虑到每个收发阵元对所对应的盲区范围，并取其最大的范围，因此多接收子阵SAS系统距离上盲区范围应为最后面一个收发阵元对的盲区，即

3.2 发射阵在后

同样，考虑多接收子阵SAS的每个收发阵元对所对应的盲区范围，并取其最大的范围，因此多接收子阵SAS系统距离上盲区范围应为最前面一个收发阵元对的盲区，即

3.3 发射阵在中间

发射阵在中间时，收发阵元距离ui可正可负，即umin＜0、umax＞0，即综合了发射阵在前和发射阵在后时两种情形。在发射阵后面的那部分接收阵元相当于发射阵在前时的情形，则对于这些接收阵元与发射阵形成的收发阵元对的有效合成孔径长度可用式（5）表示；而在发射阵前面的那部分接收阵元相当于发射阵在后时的情形，则对于这些接收阵元与发射阵形成的收发阵元对的有效合成孔径长度可用式（7）表示。

此时多接收子阵SAS距离上盲区范围应为最后面一个收发阵元对的盲区和最前面一个收发阵元对的盲区中范围较大的一个，即

每一收发阵元对的孔径损失情况可以用有效合成孔径系数衡量，但多接收子阵SAS系统需要考虑所有收发阵元对的孔径损失情况，一种简单的方法是用多接收子阵SAS系统距离上盲区大小表征其孔径损失情况，即多接收子阵SAS系统距离上盲区范围小，则其系统孔径损失小，反之，系统孔径损失严重。这种衡量多接收子阵SAS系统孔径损失方法的合理性可在随后的仿真中看出。

对比发射阵在前，发射阵在后和发射阵在中间三种情形下的距离上盲区范围可以发现：多接收子阵SAS距离上盲区跟接收阵长度、收发阵元波束宽度强相关，与平台速度与声速之比（一般情况下，远小于收发阵元波束宽度之和）弱有关，且接收阵长度越长、收发阵元的波束宽度越窄，SAS系统距离上盲区范围越大，即孔径损失越严重。

在发射阵总阵长一定时，发射阵在后时，SAS系统距离上盲区最大；发射阵在前时，SAS系统距离上盲区较小；发射阵在中间时，SAS系统距离上盲区小于发射阵在两端时的情形。

4 典型SAS系统分析

以加拿大Kraken公司的KAIFISHI MIN⁃SAS-180和法国iXBlue公司的SAMS-DT6000两款SAS系统为例，对以上结论进行仿真验证，参数如表1所示。

表1 典型SAS系统参数

对于MINSAS-180系统，通过计算可知横向走动距离小于收发阵元半波束照射宽度之差，最前面的接收阵元和最后面的接收阵元的有效合成孔径系数随斜距变化情况如图3所示，距离上盲区随收发阵元距离变化如图4所示。

图3 不同收发阵元距离时有效合成孔径系数随斜距变化曲线图

图4 距离上盲区随收发阵元距离变化曲线图

从图3中可以看出，对于接收阵两端的阵元，其有效合成孔径系数在近距离处为零，然后随斜距的增加而变大，达到最大值1后保持不变，符合式（5）描述的变化规律。接收阵最面后一个阵元的孔径损失比最面前一个阵元的严重，因此系统的盲区范围就是最后面一个接收阵元的盲区范围，即rb＜17.3m。KATFISH系统对底高度为5m～30m，当对底高度较小时，近距离处图像方位分辨率可能受到影响。

从图4中看出，距离上盲区随收发阵元间隔的增加而变大，因此，若接收阵长度一定时，发射阵在中间时的孔径损失小于在两端时的情形。

对于SAMS-DT6000系统，通过计算可知横向走动距离也小于收发阵元半波束照射宽度之差，最前面的接收阵元和最后面的接收阵元的有效合成孔径系数随斜距变化情况如图5所示，距离上盲区随收发阵元距离变化如图6所示。

从图5中可以看出，SAMS-DT6000接收阵最前面一个阵元和最后面一个阵元的有效合成孔径系数分别符合式（7）和式（5）描述的变化规律，即在近距离处为零，然后随斜距的增加而变大，达到最大值1后保持不变，而系统距离上盲区由最后面一个阵元决定，即rb＜32.7m。从图6中可以看出，距离上盲区随收发阵元间隔的增加而变大。

图5 不同收发阵元距离时有效合成孔径系数随斜距变化曲线图

图6 距离上盲区随收发阵元距离变化曲线图

5 发射阵布置优化设计

对于实用的SAS系统设计，根据最大作用距离与平台速度的需求，发射阵长度是一定的，根据前面的讨论，发射阵在中间时，SAS系统距离上盲区小于发射阵在两端时的情形。对于发射阵在中间时的情形，当接收阵最前面一个阵元与最后面一个阵元的盲区范围相同时，SAS系统距离上盲区存在最小值，即当

时，SAS系统距离上盲区存在最小值。

收发阵元波束较宽时，式（10）可近似表示为-umin=umax，即发射阵在正中间。

6 结语

实用的SAS系统孔径损失和距离上盲区跟接收阵长度、收发阵元波束宽度强相关，与平台速度与声速之比弱相关，且接收阵长度越长、收发阵元的波束宽度越窄，SAS系统孔径损失越严重，相应的系统距离上盲区也越大。在接收阵长度一定时，发射阵在后时，系统距离上盲区最大；发射阵在前时，系统距离上盲区较小；发射阵在中间时，系统距离上盲区小于发射阵在两端时情形，且最大、最小收发阵元距离满足式（11）关系时，系统距离上盲区最小。本文提出的发射阵优化布置方案为SAS的阵元设计和布置提供了理论指导。