1 國外情況
聲吶和雷達從原理到應用有很多相似之處,而合成孔徑聲吶與合成孔徑雷達,更像一對孿生兄弟,經歷了相似的發展過程。合成孔徑雷達于20世紀50—60年代起步,于20世紀80年代快速發展,并取代傳統側視雷達成為對地觀測重要手段。
SAS研究從20世紀60年代起步,20世紀60—70年代發展緩慢,主要原因是技術實現上的困難問題和對技術上是否可行的認識問題。在SAS研究領域,制約其技術發展的兩個關鍵問題:①水聲信道,水聲環境(時變信道)一般比較惡劣,不同回波信號的相干性是個問題。特別是淺海水聲環境條件不理想,同空氣中電磁波工作環境相比,是更為“敵意”的媒質。這是當時主流觀點認為水聲信道太不穩定,不適合合成孔徑處理。②聲波傳播速度比電磁波慢得多,由于方位模糊問題,使得信號空間采樣率較低,這極大地限制了SAS載體的運動速度,進而限制了測繪速度的提高。
在SAS研究處于低潮時期,仍有一些學者堅持不懈地探索,并進行了一系列水聲環境實驗。結果表明,水聲信號的相干性能夠滿足合成孔徑成像要求。聲傳播速度慢導致信號空間采樣率低和限制SAS載體運動速度等問題也可以通過多子陣的辦法來彌補。
進入20世紀90年代,西方主要發達國家紛紛投入巨資,針對SAS科學和技術問題開展研究工作。
進入21世紀,SAS技術取得了快速發展:相關技術已達到實用水平,相應的產品和軍用裝備也已經出現。
據Unmanned Vehicles和《簡氏防務周刊》報道,美國海軍把Edge Tech 4400合成孔徑聲吶系統裝到獵雷UUV上,作用距離提高4倍、分辨率提高36倍。該型聲吶美國已經對外禁運。
2 國內情況
國內SAS技術的系統性研究,是在國家“ 863”計劃的支持下開展起來的。1997年,在原國家科委主任宋健院士的倡導下,SAS正式列為國家“ 863”計劃項目。在李啟虎院士組織和帶領下,一支充滿活力、有創新精神的科研隊伍迅速組成,開始了SAS理論和技術的研究工作。
經過多年堅持不懈,我國在SAS研究方面進步巨大。先后突破了一系列關鍵技術,研制出多型、多頻段SAS成像系統,技術水平達到國際先進,部分技術國際領先水平。
我國在SAS技術研究方面起步晚,但發展非常快。中國科學院聲學研究所于“九五”“十五”和“十一五”期間持續得到“ 863”計劃支持。經歷了原理和關鍵技術探索、海試樣機和工程樣機研制等階段,在關鍵技術和多型系統研制方面,取得了一系列重大突破。2010年底最新完成的SAS工程樣機,是世界上首次研制完成同時具備高、低頻同步實時成像能力的SAS系統,其各項性能指標達到國際領先水平,該系統在掩埋目標探測和識別方面表現出優越的性能。SAS工作在高頻段,可大幅提高成像分辨率,成為傳統側掃的升級換代產品。而在低頻段,它可穿透成像,實現對掩埋物的探測識別,填補傳統成像聲吶在該方面的空白。
國外SAS研究一般從高頻SAS起步,而我國SAS研究起步階段選擇低頻SAS作為切入點。盡管低頻SAS技術難度大、技術突破時間歷程長,但是需求更迫切。
2012年,中國科學院聲學研究所高頻型SAS和雙頻型SAS完成設計定型。此后,在SAS系統研究及產品化方面,取得長足進展,并在一系列國際合作、國內重大項目中得到應用,取得非常好的應用成果。2018年,中國科學院聲學研究所就三頻合成孔徑聲吶設計方法建立了首個合成孔徑聲吶國內行業標準。
通過湖上、海上試驗,取得了大量清晰水底和小目標圖像的試驗結果。許多高質量成像,遠好于國外的試驗結果。圖 1為一組湖底高頻地貌精細成像。千島湖為人工湖,被淹沒前為農田,圖中可見梯田、河道、廢棄橋墩等。