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利用稀疏收发阵列的小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法

赵婉春 刘雄厚 杨益新

赵婉春, 刘雄厚, 杨益新. 利用稀疏收发阵列的小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060
引用本文: 赵婉春, 刘雄厚, 杨益新. 利用稀疏收发阵列的小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060
ZHAO Wanchun, LIU Xionghou, YANG Yixin. A Small-Sized Low-Cost and High-Resolution Two-Dimensional Side-Scan Sonar Imaging Method Using Sparse Transmit-Receive Arrays[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060
Citation: ZHAO Wanchun, LIU Xionghou, YANG Yixin. A Small-Sized Low-Cost and High-Resolution Two-Dimensional Side-Scan Sonar Imaging Method Using Sparse Transmit-Receive Arrays[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060

利用稀疏收发阵列的小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060

A Small-Sized Low-Cost and High-Resolution Two-Dimensional Side-Scan Sonar Imaging Method Using Sparse Transmit-Receive Arrays

  • 摘要: 为克服已有二维侧扫声呐成像方法在提高角度分辨率时面临的基阵尺寸过大、阵元成本过高等问题, 提出一种小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法。该方法以大间距布阵的均匀直线阵为稀疏发射阵, 以多个满采样均匀直线阵为子阵组成稀疏接收阵, 利用乘积定理形成水平向满采样大孔径虚拟阵列。该虚拟阵列的阵元数为发射阵元数、接收子阵数与子阵阵元数之积, 孔径为发射阵列和接收阵列孔径之和, 从而以更小尺寸、更少阵元获得大孔径等效阵列。以所设计的阵形为基础, 文中方法采用和传统二维侧扫声呐成像方法相同的波形和法向单波束侧扫成像模式。数值仿真结果表明: 与传统方法(240发/240收, 信号中心频率为450 kHz)相比, 文中方法阵列尺寸由0.40 m缩减至0.33 m, 总阵元数由480减至40, 水平向-3 dB波束宽度由0.41°缩小至0.25°, 角度分辨率提升约40%。证明文中方法可使用更小阵列尺寸、更少阵元数获得更高成像分辨率。

     

  • 图  1  传统侧扫声呐和文中稀疏收发阵列构型对比

    Figure  1.  Comparison of array configurations between the traditional side-scan sonar and the proposed sparse transmit-receive array

    图  2  文中二维侧扫声呐成像方法流程框图

    Figure  2.  Block diagram of the proposed 2D side-scan sonar imaging method

    图  3  传统阵列与文中方法阵列及合成虚拟阵列仿真构型

    Figure  3.  Simulated configurations of the traditional array, the proposed array and the synthesized virtual array

    图  4  单亮点目标侧扫成像结果对比

    Figure  4.  Comparison of side-scan imaging results for a single highlight target

    图  5  双亮点目标二维侧扫成像结果对比

    Figure  5.  Comparison of 2D side-scan imaging results for double highlight targets

    图  6  球体目标侧扫成像结果对比

    Figure  6.  Comparison of side-scan imaging results for a spherical target

    图  7  轴线平行航行方向的圆柱体目标侧扫成像结果对比

    Figure  7.  Comparison of side-scan sonar imaging results for a cylinder with its axis parallel to the sailing direction

    图  8  轴线与航行方向成45°的圆柱体目标侧扫成像结果对比

    Figure  8.  Comparision of side-scan sonar imaging results for a cylinder with its axis at 45° to the sailing direction

    表  1  传统方法与文中方法阵列参数及成像性能对比

    Table  1.   Comparison of array parameters and imaging performance between the traditional method and the proposed method

    方法 阵列
    尺寸/m
    阵元数量 成像结果
    发射阵
    元数
    接收阵
    元数
    −3 dB波
    束宽度/(°)
    第一旁
    瓣级/dB
    积分旁
    瓣级/dB
    传统方法 0.40 240 240 0.41 -25.01 9.43
    文中方法 0.33 20 2*10=20 0.25 -12.84 5.69
    注: 积分旁瓣级为主瓣区域总能量与旁瓣区域总能量之比[19]
    下载: 导出CSV

    表  2  不同目标成像结果SSIM对比

    Table  2.   Comparison of SSIM for imaging results of different targets

    方法 球体 圆柱体
    与航行方向平行 与航行方向夹角45°
    传统方法 0.8654 0.8456 0.8293
    文中方法 0.8976 0.8734 0. 8658
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-26
  • 修回日期:  2026-05-20
  • 录用日期:  2026-05-26
  • 网络出版日期:  2026-06-04
图(8) / 表(2)

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