面向超波长均匀线性接收阵列（SW-ULA）的分区多波束声纳成像：发射扇区掩蔽与同时波形分离

《Results in Engineering》：Sectorized multibeam sonar imaging with a super-wavelength uniform linear receive array

　　

本研究评估面向超波长均匀线性接收阵列（super-wavelength uniform linear receive array, SW-ULA）的分区多波束声纳成像框架。常规半波长接收阵列可在宽视场（field of view, FOV）内形成高分辨率波束，但通道数、前端复杂度、数据吞吐与处理需求随频率和分辨率要求显著增加，限制无人水面艇（unmanned surface vehicle, USV）和自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV）等紧凑平台。研究人员不以接收端稀疏恢复重建缺失空间采样，而由12阵元Hamming加权发射阵在100° FOV与400–500 kHz内形成六个重叠扇区，以发射波束图衰减32通道、阵元间距2λ_c的SW-ULA接收栅瓣方向；频分复用线性调频（frequency-division multiplexing linear frequency modulation, FDM-LFM）与码分复用Zadoff-Chu（code-division multiplexing Zadoff-Chu, CDM-ZC）提供同时扇区标签。研究建立双向空间–波形点扩展函数（point-spread function, PSF）模型，分离确定性角度混叠抑制与有限脉冲互波形干扰，并在远场点目标、1000反射体/50层场景、渐进复杂度控制与共同船骸几何中评价成像。Jetson Orin NX处理在环基准显示，FDM实现较Dense缩短约62%完整重建时间，全集重建平均20.48、16.43、7.77 ms，模块能量0.356、0.319、0.128 J/block。结论支持联合选择空间孔径、同时波形与接收处理链，后续声学系统验证应采用应用特定场景和运动条件。

多波束测深仪（multibeam echosounder, MBES）和前视声纳（forward-looking sonar, FLS）广泛用于水下测绘、基础设施检测和避障。半波长接收阵列可在平台前方或下方形成数十至数百波束，但在固定孔径下提高频率虽可增加阵元数和角分辨率，却会提高前端复杂度、数据吞吐和处理需求，对尺寸、重量、功率和计算资源受限的USV、AUV尤为突出。常规多波束声纳通常采用不超过半波长间距的一维接收阵以避免宽FOV空间混叠；在宽FOV内达到1°或更细角分辨率可能需要一百以上阵元及各自模拟前端和模数转换器，硬件成本与数据率对小型平台很高。稀疏阵列和通道压缩已有三类思路：随机或优化稀疏阵选择非均匀阵元位置和加权；超稀疏设计利用宽带脉冲压缩、真时延估计和非线性组合以少通道成像；医学稀疏超声阵结合压缩感知、优化孔径或学习重建补偿栅瓣和分辨率损失。SW-ULA在硬件上有吸引力：相同孔径可用更少阵元和规则几何实现，并保留局部角分辨率；但常规宽波束发射下空间欠采样会在宽FOV内产生栅瓣，需要抑制确定性复制并分离同时波形。研究人员因此研究面向SW-ULA的多波束发射–接收框架：发射机将100° FOV分为六个重叠扇区，扇区波束图衰减接收栅瓣方向，FDM-LFM和CDM-ZC提供同时扇区标签；目标是确定发射掩蔽能否以四分之一接收通道保持局部角分辨率，并量化有限波形带宽、码长、径向运动和散射支撑的独立限制。研究采用发射照明与固定规则欠采样接收孔径协同设计，使用既有LFM、ZC和延迟求和（delay-and-sum, DAS）方法配置发射扇区以掩蔽SW-ULA栅瓣方向，并单独评价有限波形干扰；随机稀疏阵配合重建算法作补充比较，Dense、CDM、FDM为三种主要架构。其意义在于把空间混叠抑制与同时波形分离作为可分别评价的机制，并连接场景复杂度与嵌入式接收处理成本。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究采用单基地远场二维方位–距离模型；发射阵为12阵元、0.5λ_c间距、18.3 mm孔径Hamming加权，接收为32通道、2λ_c间距SW-ULA（约206.7 mm），与128阵元半波长Dense参考（211.7 mm）近似孔径匹配；同时波形采用六子带FDM-LFM和六根CDM-ZC（L=499，100 kchip/s），经匹配滤波和频域DAS重建；以点目标、1000反射体/50层、渐进复杂度及207107点船骸模型进行数值仿真，并在Jetson Orin NX上开展处理在环基准。无样本队列来源。

研究结果如下。2.1 发射/接收阵列、远场模型与双向PSF：研究建立远场基带模型和DAS双向PSF，单扇区单点散射体PSF化为B_T,q(θ)B_R(θ;θ_R)χ_qq(2(r₀?r)/c,0)，扩展场景为线性空变积分而非移不变二维卷积；名义距离分辨率Δr_PSF≈c/(2B)。2.2 窄发射波束用于栅瓣抑制：SW-ULA间距d_R=κλ_c/2（κ>1），常规单波束全FOV接收波束形成存在强栅瓣，栅瓣角满足k_cd_R(sinθ_g?sinθ_R)=2πq；相对栅瓣水平Γ_GL≈|B_T(θ_g)B_R(θ_g)|/|B_T(θ_R)B_R(θ_R)|，最坏情形约化为|B_T(θ_g)|/|B_T(θ_R)|；发射波束宽Δθ_T≈β_Tλ_c/D_T，β_T≈0.88，栅瓣间隔Δθ_GL≈arcsin(λ_c/d_R)，小角近似λ_c/d_R，孔径规则D_T?β_Td_R，加窗后D_T?γ_winβ_Td_R。12阵元ULA在450 kHz的HPBW为13.25°–17.45°，最大指向误差0.7°，最差扇区边缘增益?5.24 dB；400–500 kHz内每扇区边缘不低于?6.52 dB。宽带可行性优化以覆盖G_min=10^?6.6/20和栅瓣比G_GL=10^?24/20为约束，在4–8等宽扇区中确定六扇区为最小可行配置，最差覆盖?6.517 dB、栅瓣方向比?24.325 dB；收紧至?6 dB或?27 dB可能需七扇区。2.3 低互相关多波束波形设计：FDM-LFM第k波束使用有限子带LFM，中心频率按转向序为426、442、490、474、458、412 kHz，每扇区20 kHz带宽，构成部分重叠的packed FDM；固定扇区–频率映射经720种排列敏感性检查。CDM-ZC全100 kHz共享不同ZC根，L=499，根为{5,7,1,3,11,9}，100 kchip/s；有限非周期实现存在非零自模糊旁瓣，理想周期ZC单干扰归一化峰为1/√L（?10log₁₀L dB），M?1个等幅干扰最坏相干上界为(M?1)/√L；码长增加降低互相关但延长脉冲T≈L/B，增加盲区并降低ping率，M与L需联合选择。多普勒采用宽时缩放β=(c?v)/(c+v)，正v表示远离，RF频移f_D,i=(β?1)f_i≈?2vf_i/c；零速最差FDM完整/局部交叉峰为?26.48/?73.96 dB，CDM为?21.30/?22.11 dB；FDM完整延迟包络在±2 m/s内达?21.90 dB、±10 m/s内达?8.84 dB，局部与完整延迟域须分别评价。设计含义是发射波束应尽量窄、旁瓣足够低，波束数应覆盖FOV，FDM子带间隔或CDM码长应从全延迟–多普勒模糊函数选择；SW-ULA可在孤立或稀疏点目标下保持类密集阵列局部角分辨率并减少接收通道处理，但分布散射下交叉模糊响应会累积并影响最终图像。3.2 发射–接收阵列波束质量评价：先分离共同接收响应与发射–接收有效角PSF；CDM与FDM共用32阵元2λ_c接收几何，差异仅在扇区照明和波形响应后出现。8°处Dense/CDM/packed-FDM有效HPBW为1.24°/1.24°/1.16°，41.25°处为1.62°/1.60°/1.74°；接收-only SW-ULA栅瓣近0 dB，分配发射扇区在双向乘积中将其衰减，显示空间掩蔽。400–500 kHz全FOV单频评价中，最差局部HPBW为Dense 1.986°、SW-ULA 2.030°；19个边界及相邻方位无噪声测试均19/19检测且无额外峰。完整模型与中心频率近似峰变化不超过0.01°/0.10°/0.10°，最小幅度剖面相关为0.99998/0.99067/0.99999；可见非零标称混叠方向±2°内最差完整响应CDM为?22.99 dB、FDM为?28.77 dB，保护主瓣±3°外全FOV最大值为?43.28/?22.99/?28.77 dB；仅分配波形CDM在标称混叠邻域达?40.43 dB，而完整波形库为?22.99 dB，说明有限脉冲跨波形干扰仍需评价。校准控制中，1°接收指向偏移使标记峰移约?1°，1°发射指向偏移使CDM/FDM目标峰降约0.57 dB；0.15 m excess、0 dB replica双路径控制下，±8°保护外最大响应CDM约?19.50 dB、FDM约?11.46 dB；40°幅度相位纹波使50.5 m、20°目标距离峰移?3/?2/?5 mm。距离脉冲压缩FWHM为Dense Hamming-LFM 12.96 mm、CDM无额外窗7.17–7.20 mm、FDM Hamming 64.58–67.06 mm；矩形LFM对照下Dense 7.04 mm、FDM 33.20–37.91 mm；双目标距离控制在Dense/CDM/FDM中首次满足规则于20/20/80 mm。3.3 成像质量评价：在Dense参考输入SNR为?15 dB、共同每阵元噪声下进行30次配对噪声试验；盲检测阈值由纯噪声图像最大值95百分位校准，采用30 mm/2°半宽NMS和|Δr|≤20 mm、|Δθ|≤1°的Hungarian关联。检测分数为Dense 0.872±0.010、CDM 0.883±0.006、FDM 0.833±0.000，平均绝对角误差0.0000/0.0168/0.0194°，距离误差0.005/0.005/1.244 mm，未分配峰/图为0.03/5.37/0.03。0 dB Dense参考SNR点场景CNR为96.988/40.803/30.090；1000反射体/50层场景对无噪声Dense相关为0.99799/0.77348/0.53185，噪声诱导幅度NMSE为?24.959/?18.213/?26.150 dB；FDM相对自身干净图像噪声扰动较小不等于相对Dense或真值结构误差较小。渐进复杂度控制中，层数由1增至50时CDM平均相关由0.772降至0.656，FDM由0.603升至0.689；CDM在所有测试计数和层设置下外部保护功率分数高于FDM，相关与外部支撑响应描述不同图像性质，墙和两簇结构可改变排序。随机阵DAS/OMP控制中，细网格OMP在18–20次迭代满足残差停止并检测全部5目标且无误峰，粗网格OMP虽检测5目标但32次迭代内不满足残差，说明随机阵成像性能也依赖重建方法。船骸207107点、30次独立散射相位和配对接收噪声、10 dB Dense参考SNR下，二维相关到干净Dense为0.997661/0.5420/0.7282，距离剖面相关0.999291/0.9508/0.9812，角度剖面相关0.997974/?0.2733/0.8606，支撑泄漏0.00485/0.36318/0.00479；CDM距离剖面可高但二维/角度一致性恶化且外部支撑能量增加，FDM保留更多角度结构但仍受距离模糊和长延迟交叉模糊限制。4 嵌入式处理基准与仿真输入数据：PC数值通道模拟器生成复基带样本并经以太网送入Jetson Orin NX；每通道8192复FP32样本、400 kHz，129抽头接收FIR一次，输出321×401复FP32网格（30.0–30.8 m/2.5 mm，?50°–50°/0.25°），几何与分数延迟索引为FP64。三次测量会话轮换顺序，每法50块预热加每会话200次计时、共600次；完整时间为Dense 20.476±0.096 ms、CDM 16.431±0.085 ms、FDM 7.773±0.075 ms，P95为20.613/16.549/7.911 ms，显式CUDA高水位282.022/272.059/14.009 MiB，模块功率17.314±0.053/19.369±0.032/16.396±0.005 W，每块能量0.35592±0.00123/0.31911±0.00042/0.12812±0.00010 J。相对Dense，CDM/FDM完整处理时间减少约19.8%/62.0%，时间比约1.25/2.63，显式CUDA分配更低，每块模块能量降低约10.3%/64.0%；CDM连续工作平均功率高于Dense但每块能量较低，功率与能量须分别解释；VDD_IN为Jetson模块输入而非整机功率。桌面MATLAB原型均值为265.61/60.11/31.27 ms，仅作桌面原型内比较。

讨论部分指出，设计收益来自发射照明与规则欠采样接收孔径的协调：近似孔径匹配使32通道SW-ULA保留局部角宽，发射扇区衰减确定性栅瓣；同时发射下有限波形分离还取决于延迟、运动与散射支撑，空间PSF、脉冲相关和完整场景图像描述不同设计条件。空间掩蔽要求发射照明与接收聚焦相干对准，定时、阵元位置和相位误差改变目标与栅瓣方向相干叠加，声速误差影响距离转换和指向相位；50.5 m数值扰动中0.5 μs定时标准差造成显著峰损失并在一SW-ULA实现中产生9.2°峰位移，1%声速误差产生约0.5 m距离误差，这些为仿真条件而非实测容差。配置权衡显示，CDM保留窄孤立距离响应但需检查预期场景波形干扰；FDM在船骸集合中保留更多结构且处理成本较低，代价为距离展宽和长延迟交叉模糊；复杂散射和细距离结构重要时Dense仍为参考。机载声纳处理成本取决于数据量和感知任务，接收通道数本身不决定处理时间；数值评价场景成像，Jetson测量物理设备接收处理生成回波；主要配置假设理想同步，校准、双路径和前端误差作为受控扰动，分布场混响、声速变化和平台轨迹需系统实验，完整系统帧率和功率还取决于声学采集和外设。

研究结论翻译：本研究通过受控声纳仿真和嵌入式接收处理测量评估分区SW-ULA成像。12阵元Hamming发射机在100° FOV和400–500 kHz形成六扇区，最差最终覆盖为?6.52 dB；32通道2λ_c接收孔径与128通道参考近似匹配并保持相似局部角宽，栅瓣抑制发生在发射–接收乘积而非稀疏接收阵单独。最终图像共同取决于空间掩蔽和波形分离：全带宽CDM保留窄孤立距离响应，但有限非周期相关在复杂场景产生距离–角度干扰；packed FDM提供更强局部延迟隔离，但带来距离展宽及长延迟/多普勒模糊代价。30 m点场景、保留系数的1000反射体/50层场景、渐进复杂度控制和共同船骸相位集合建立了这些区别，与Dense一致性取决于扩展场景和所用指标。Jetson完整重建平均20.48、16.43、7.77 ms，模块能量0.356、0.319、0.128 J/block；结果支持联合选择空间孔径、同时波形和接收处理链以适应任务，后续声学系统验证应使用应用特定场景和运动条件。