科技动态▏国防科技大学气象海洋学院团队在SCI期刊“mesurement”发表论文，开发新型下视三维成像声呐

近日，国防科技大学气象海洋学院与天津先进技术研究院团队合作在SCI期刊“mesurement”（SCI JCR工程类Q1分区TOP期刊，影响因子5.6）上发表题为《Underwater 3D point clouds construction based on a novel down-looking sonar with wireless acoustic calibration for high-resolution measurement》（基于新型下视声呐与无线声学校准技术的水下三维点云构建方法——面向高分辨率测量）的研究论文，论文第一作者梁佩晖博士，通讯作者宋君强院士、唐武盛助理研究员，论文的合著者还有徐攀副研究员、王俊副研究员、张鹏助理研究员、楼康副研究员、胡永明教授。文中提出了一种新型的下视三维成像声呐系统，首次集成了原子钟同步的无线声学校准系统。

三维成像声呐已成为高分辨率水下测量不可或缺的工具，能够在光学传感器无效的条件下定量评估水下结构和环境。其应用在桥梁无损检测、沉箱基础检测和下水道管道检测等多个领域都至关重要。从声呐数据获得三维测量的一种常见策略是从二维图像推断三维结构。例如，通过分析声学阴影和回声距离，从单一二维前视声呐图像估算目标高度。但本质上仍然依赖于有限的二维投影间接估计。这种固有方法常常导致复杂场景中显著的信息丢失和解释歧义，导致测量准确性下降，尤其是在回声稀疏或目标遮挡的区域。其可靠性在需要高精度几何建模的水下测量应用中受到影响。

直接三维成像为水下测量提供了另一条路径。然而，在动态水下环境中，水流不稳定性常常破坏平台的理想运动，导致多重扫描数据出现错位。这会引入累积误差，严重降低最终三维测量的几何精度和空间分辨率。为了平衡硬件可行性和测量性能，合成虚拟二维孔径的移动线性阵列成为一种有前景的替代方案。这种方法通过利用平台运动降低了系统复杂性，但从根本上将挑战从硬件设计转向了运动补偿和系统校准领域。最终三维测量的可靠性关键依赖于两个因素：一是对阵列位置的精确定位以及对其运动的精致补偿。即使是轻微的定位误差或残留运动伪影，也会直接导致重建场景中的分辨率下降和几何畸变。二是合成孔径的相干性要求对阵列进行细致校准，以纠正元件间距和相位响应的不一致。

为弥补当前动态环境下高精度三维水声成像的研究空白，该文提出了一种新型的下视三维成像声呐系统，首次集成了原子钟同步的无线声学校准系统。首先，通过使用校准信号进行阵列重新定位，并通过亚波长相位校正消除系统性误差。其次，该文利用算法的任意轨迹兼容性和无线操作的运动无约束优势，通过多条交叠路径合成放大的孔径。第三，该文实现GPU加速计算框架，以实现高效数据处理。实验结果证实，文章的无线方法优于电缆同步系统，能在更深水域实现更高分辨率测量，并在复杂的水下测量场景中展现出稳健的性能。

该新型下视三维成像声呐集成在自走式拖鱼中，主设备长1.8米，宽2.9米，高1.6米，总干重约180公斤。图1（a）展示了拖鱼的部署状态。拖鱼能够以3至6节的速度作业。其主要结构包括电池舱、电子舱、一对襟翼阵水听器接收阵列、发射阵列和状态监测传感器。襟翼阵水听器接收阵列安装在拖鱼两侧下方。图1（b）展示了襟翼阵水听器接收阵列的照片，每个侧翼有64个基元。

(a)部署中的自走式拖鱼；(b)襟翼阵水听器接收阵列

图1 平台和接收阵列的实际图像

该系统发射阵列是一个20元相控阵源，能够在每个信道进行相位级输出调节。相位校正参数基于发射元件的空间分布和频率响应特性计算。这些参数会传输到相位信号发生器。而跨通道的不同相位调制使声学信号在传播过程中实现相干叠加，在指定空间区域产生聚焦的高能声场。状态监测传感器集成了高精度激光陀螺惯性导航系统和全球定位系统（GPS），为导航提供姿态、纬度和经度的实时数据。

外侧水听器（H1、H2）安装在翼尖上（如图2所示），而端部水听器H3则位于垂直于线列阵的中心延伸线上。这三种水听器实现了校准信号的三维空间接收。通过校准源、声呐源和信号采集硬件之间的同步信号，系统确保校准信号与目标回波在同一采集窗口内的时间对齐，这有助于在后续处理阶段实现实时原位声学定位和信号校正。

 图2 三个校准水听器与收发器阵列的空间位置关系

虽然声呐源与信号采集硬件（集成于同一平台）之间的时间同步是容易实现的，但与水下无线校准源保持高精度时间同步仍是一大挑战。为此，该系统实现了一个基于铷原子钟的时间参考系统。该方案利用时钟卓越的短期稳定性，同时在整个实验期间保持足够的长期精度，建立了所有子系统统一的时间基准。下图即为铷原子钟的实物图。

图3 铷原子钟的照片

在零时间同步并控制时间延迟以确保校准信号和目标回波在同一采集窗口内的时间对齐后，操作周期的时序序列见图4，该图中界定了关键步骤之间的时间关系。

Nsource（声呐源传输延迟）：这是从零点到声呐源被触发发射成像脉冲的延迟；Nsave（存储激活延迟）：该延迟在声呐脉冲发射后激活数据存储，防止在回波到达前记录空数据，优化存储效率；Natomic（校准源传输延迟）：这是水下校准源经过严格控制的发射信号延迟。其精度对于确保校准信号和目标回波在同一数据采集窗口内至关重要；Nrange（校准信号传输时间）：表示校准信号从源到水听器阵列的传输时间，它是水听器阵列测距和重新定位的关键参数。

图4 系统运行周期的时间序列

该系统实验在湖北省宜昌市的清江试验场进行。首先，目标体采用加权浮力部署，并定位在指定位置。同时，根据需要将校准声源安装在目标区域。实验开始后，自航拖鱼沿预定路线以指定速度移动。声源通过LFM信号脉冲照射目标，而原子钟同步的校准源则根据预定时间序列发射相同的LFM信号脉冲。水听器在不同运动时间戳记录回波信号。此外，GPS和惯性导航数据同时存储。

(a)将目标运送到指定位置；(b)目标进入水中；(c)定制的字母形目标；(d)目标上圆形盘的尺寸：直径3厘米，间隔5厘米

图5 实验场景

声呐源和校准源发射以下参数的相同线性调频信号：起始频率70kHz，终止频率110kHz，中心频率90kHz，带宽40kHz，幅度1V，声源级大于190dB，脉冲宽度2ms，脉冲重复时间1s。128基元的襟翼线性阵列以2cm间距（中心到中心）部署。校准水听器位于距离阵列中心3m处。数据采集以4MHz采样频率和信号持续时间40ms进行。由于声速梯度可忽略不计，整个实验期间维持平均声速1455.3m/s。

尽管声学重定位改进了阵列的几何坐标，残余系统引起的误差仍然存在。为了减轻这些问题，研究团队在所有水听器通道中实施了相位校正。误差的主要来源包括声学射线弯曲、水听器支架的微变形以及特定通道的电气相位延迟。为了定量说明系统误差，图6(a)比较了单个数据帧中所有水听器通道的理想和测量时间延迟，可见的差异源于通道中的电气相位延迟和水听器支架的微变形。此外，数据中包含无有效信号的数据点（仅蓝色标记），这突显了实际测量中的复杂性。该方法一个关键优势是能够利用校准系统，将这些复杂且难以建模的系统误差转换为每个水听器的可测量相位误差，然后直接进行补偿。

(a)所有水听器通道的理想和测量时间延迟的比较；(b)部分通道（96/128）中对应相位误差的时间延迟点数

图6 相位误差校正的细节

利用研究团队提出的数据处理方案能够实现水下目标的超高分辨率3D成像。图7展示了针对定制字母形状目标的对比结果，该目标成像区域为2×2×1m（200×200×100的网格点，空间间隔为1cm）。子图(a)和(b)分别显示了从受运动限制的平台（在17米深度使用电缆同步校准，无原子钟同步）获取的2D横截面切片和3D渲染图像。相比之下，子图(c)和(d)展示了通过无线声学校准（由原子钟同步）在30米深度实现的测量结果。

(a)17米处有线同步的2D成像；(b)17米处有线同步的3D成像；(c)30米处无线同步的 2D 成像；(d)30米处无线同步的 3D 成像；(e)17米处仅依赖GPS/INS进行无线校准的2D成像；(f)30米处有线同步的2D成像

图7 定制形状目标物的对比测量结果

电缆同步声学校准可获得图像，其中字母形状仍然可辨，但圆形盘状物表现出重影伪影，导致无法区分单个物体。相比之下，不受阵列运动尺度限制的无线声学校准合成了更大的虚拟孔径。这使得在更深的距离上能够获得更高质量的测量结果，并且每个盘状物都渲染为可读的特征。最大叠加声强值从38.02dB增加到39.49dB。在相同的物理条件下，更高的最大叠加声强值表明具有更好的相位相干性，并且能够更精确地将声能聚焦在真实的目标位置。这些结果明确验证了由原子钟同步的无线声学校准方法的可行性，同时建立了一种可行的扩展虚拟平面阵列的方法，以进一步增强测量能力。

图8展示了针对更复杂水下目标构建的三维点云与实际照片参考的对比。结果表明，即使对于复杂目标，该系统能够展现可辨识的主要结构和轮廓清晰的外形。这一成果进一步验证了该向下视三维声呐系统在具有挑战性的水下成像场景中的鲁棒性。

(a)多组件结构框架的三维成像；(b)多组件结构框架的实际照片；(c)自行车目标的三维成像；(d)自行车目标的实际照片

图8 复杂目标的三维点云构建与实际照片对比

该文介绍了一种新型的下视三维成像声呐系统，该系统通过集成由原子钟同步的无线声学校准系统，显著提升了高分辨率水下测量的技术水平。其贡献的核心在于建立了一个精确的内部校准参考框架。在该框架内，研究团队通过采用基于声学的阵列重新定位技术，克服了GPS定位的不足，并实现了亚波长级的相位误差补偿。该过程通过协调重新定位数据与测距测量之间的差异，有效消除了系统误差，确保了各通道的信号相干性。由于摆脱了有线同步的限制，系统利用无约束运动合成扩展的虚拟平面孔径，从而能够对更深处的目标进行高清三维测量。实验结果展示了该系统生成清晰稳定的复杂水下结构的能力，验证了其作为高精度水下测量工具的鲁棒性。

■信息来源：国防科技大学、天津先进技术研究院