合成孔径声呐的高分辨率包括高距离向分辨率和高方位向分辨率两个方面。高距离向分辨率通过脉冲压缩获得，而高方位向分辨率通过合成孔径原理获得。

合成孔径技术最早起源于雷达成像领域，目的是提高雷达图像的方位分辨力，将它引入声呐领域是从20世纪60年代末开始的。美国雷神（Raytheon）公司于1967年提出关于合成孔径声呐可行性的报告，沃尔什（Walsh）于1969年申请了第一个合成孔径声呐专利。但当时主流观点认为有两个因素使得水下成像不适合合成孔径处理，这种观点在一段时间内对合成孔径声呐的发展带来了消极影响。第一个因素是水声信道，特别是浅海水声环境条件不理想，同空气中电磁波工作环境相比，是更为“敌意”的媒质，回波信号的相干性能否支持合成孔径处理是个问题。另一个因素是声波传播速度比电磁波慢得多，大大限制了装载合成孔径声呐的载体的运动速度，进而影响载体的稳定性，并限制了测绘速率的提高。

威廉斯（Williams）于1976年、克里斯托夫（Christoff）等人于1982年、高夫（Gough）和海斯（Hayes）等人于1989年进行了一系列水声环境实验，结果表明，水声信道的影响并不像预想的那么严重，尽管水声信道是时变的，合成孔径声呐回波信号在较短时间内仍具有较好的相干性，水声信号的相干性一般能够满足合成孔径成像要求。声传播速度慢导致信号空间采样率低和限制合成孔径声呐载体运动速度等问题也可以通过多子阵的办法来弥补。

合成孔径成像在雷达领域取得的成功，推动了合成孔径声呐技术的发展。由于合成孔径成像的相似性，合成孔径声呐可借鉴合成孔径雷达中的技术成果，雷达中的成像算法可用在声呐中。受合成孔径雷达成功的鼓舞，一些国家自20世纪80年代以来进行了较多的水声环境和合成孔径声呐成像试验，并开始研制原理样机。国际上已经出现面向商用的实用设备。

合成孔径声呐系统一般由三个分系统组成：①声呐分系统，由合成孔径声呐基阵、发射机、接收机、数据采集、传输和存储子系统、声呐信号处理机和显控台等组成；②姿态与位移测量分系统，由姿态、位移测量系统和GPS等组成；③拖曳分系统，由绞车、拖缆和拖体等组成。

合成孔径声呐具有如下特点：①分辨率高且与距离无关，因而可以对远距离目标高分辨率成像；②可以工作在低频频率上，因而具有一定的穿透性，适合海底地质勘探；③点目标信噪比有较大改善，适合于漫散射背景下点目标检测，故适合于混响背景下水雷探测，尤其是沉底雷的探测；④分辨率相等条件下，测绘速率一般高于侧扫声呐。

从理论上讲，合成孔径声呐的方位分辨力和探测距离无关。直观地说，距离越大，合成孔径长度就越长，合成阵的角分辨率就越高，从而抵消了距离增大的影响，保持了分辨力不变。与常规侧扫声呐相比，合成孔径声呐的主要优点就是它可以得到很高的方位分辨力，其分辨率比常规侧扫声呐高1～2个数量级。

合成孔径声呐是一种新型高分辨水下成像声呐，其基本工作原理为利用小尺寸基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径基阵，在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号，根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理，形成沿运动方向（方位方向）上等效的大孔径，从而获得方位方向的高分辨率。合成孔径声呐作为一种水下成像设备，受水下复杂条件的影响，有不同于合成孔径雷达的特点。首先是声传播信道的非理想性比合成孔径雷达中电磁波传播的情形严重；其次是声呐拖体的运动稳定性比合成孔径雷达的情况要差得多；再次是因为声速大大低于电磁波在空间的传播速度，从而大大限制了声呐载体运动的速度，也就是限制了测绘速率；最后由于声呐中常采用宽带信号，从而使得合成孔径雷达中的一些窄带信号处理方法在合成孔径声呐中不再适用，需要对已有的成像算法进行改进或者研究新的成像算法。

合成孔径声呐技术在海洋开发和民用方面有广泛的应用，例如可以用于海底测量、水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分辨海底地形地貌测绘、海底地质结构探测等，特别是分辨率要求较高，作用距离较远的场合，采用合成孔径声呐更合适。在军事领域，可用于水下军事目标的探测和识别，例如综合探测水雷、探测锚雷，最直接的应用就是进行沉底、掩埋和悬浮水雷或其他水中危险物体的高分辨探测和识别。

对于多子阵合成孔径声呐系统，延时相加法是最为成熟精确的算法，但延时相加法的运算效率很低，因此探索高效算法用于实时成像系统，是合成孔径声呐技术应用中面临的课题。合成孔径图像重建中，运动状态的不理想会造成图像散焦，运动误差的抑制一直是合成孔径声呐研究的焦点问题和关键技术。对于水下特定小目标的成像及识别，特别是远距离上低频合成孔径声呐图像的识别是个难题。合成孔径声呐成像后处理还有图像显示效果增强、图像拼接等也是工程化中需要研究的问题。

海洋声场实际环境，尤其是近海海洋环境，要比理想假设的自由场复杂得多，水声环境的制约是影响合成孔径声呐成像质量进一步提高的关键因素，开展该方面的研究是十分有意义的，但该方面的研究的特点是高投入、高风险、高回报。

早期的合成孔径声呐试验系统主要是以拖体作为声呐运动平台，除了以拖体方式工作外，合成孔径声呐系统还可以安装在自主水下航行器、遥控潜水器等水下设备中，相应的系统总体设计、系统集成等都是需要考虑的问题。随着合成孔径声呐技术不断发展并达到工程应用阶段，合成孔径声呐系统的应用场合、试验实施装、调试、维护等便捷性是合成孔径声呐系统设计需要考虑的问题。

另外，如兼顾传统侧扫成像和合成孔径成像模式的系统、带有干涉测高功能的合成孔径声呐系统、条带式和聚束模式可选择的合成孔径声呐系统等都将具有良好的应用前景。

图1 合成孔径声呐原理示意图

图2 装载于自主水下航行器上的宽带宽波束干涉合成孔径声呐HISAS 1030

图3 二战中沉没的挪威油轮残骸的合成孔径声呐图像