多波束的关键技术——波束形成原理

第一作者简介:于平，男，高级工程师，1993长春地质学院仪器系电子仪器与测量技术专业毕业，现主要从事多波束技术应用和海洋地质调查技术管理工作。

(广州海洋地质调查局广州510760)

换能器阵元的不同排列组合决定了它们的指向性，波束形成是多波束测量的关键技术。本文通过数学计算总结了不同换能器阵列波束形成的工作原理，介绍了利用二维DFT进行频域波束形成的一般方法。最后，结合现有的多波束测深系统，简要说明了不同系统采用的波束形成技术。

多波束阵元；定向波束形成；测深

1前言

从20世纪90年代初开始，我国从欧美引进了大量的多波束测深系统(见表1)，以满足近海航道、海洋调查和国家经济特区、大陆架调查的需要。这些多波束测深系统覆盖了深水、中深水、浅水等不同海域，多波束技术在我国的应用达到了第一个高峰。

进入21世纪后，随着旧多波束测深系统的老化和新多波束技术的引入，多波束测深系统得到了升级，高精度、高覆盖、高波束数的多波束系统在一些特殊工程中得到了应用。在多波束测深系统的实际使用中，从事多波束测深的技术人员对不同多波束测深系统存在的问题做了大量的研究工作，出版了多波束技术专著，撰写了大量论文。在这些应用研究成果中，多波束测深系统的关键技术——波束形成技术，要么是简单的比喻，要么是泛泛而谈。在总结不同波束形成原理的基础上，结合实际应用，尝试对不同系统的波束形成方式进行说明，以进一步了解多波束测深系统的工作原理。

2波束形成原理

所谓波束形成，是指通过处理(如加权、延迟、求和等)形成空间指向性的方法。)具有一定几何形状(直线、圆柱、圆弧等)的多元数组的每个数组元素的输出。)(田坦等，2000)。波束形成也是一种适当处理多单元阵列的方法，以使其在某些空间方向上对声波具有所需的响应。波束形成的方法有很多，特别是在实际应用中。随着微电子技术和计算技术的飞速发展，数字信号处理技术使得时域和频域的波束形成方法相互渗透。

表1中国安装使用的多波束测深系统(2004年以前)表1中国安装使用的多波束测深系统(2004年以前)

2.1波束形成的一般原理

波束形成技术来自于阵列是定向的原理(蒋南翔，2000)。设置一个由n个非定向单元组成的接收换能器阵列(如图1所示)。每个阵元位于空间点(xn，yn，zn)，通过将所有阵元的信号相加得到输出，形成阵列的自然指向性。此时，如果一个远场平面波入射到这个阵列上，其输出幅度会随着平面入射角的变化而变化。

当信号源方向不同时，由于每个阵列的接收信号和参考信号的相位差不同，形成和输出的幅度不同，即阵列的响应不同。

如果阵列为N元线阵，阵元间距为d，每个阵元的接收灵敏度相同，平面波的入射方向为θ(如图2)。每个阵列元件的输出信号是:

F0(t)=Acos(ωt)(1)

南海地质研究。2005

……

图2线性阵列几何图形

图2线阵换能器的几何形状

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其中a是信号幅度；ω是信号的角频率；φ为相邻阵元接收信号的相位差，Re为实部，包括:

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因此，数组的输出是:

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因为:

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然后:

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所以:

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将上述公式两边同时除以NA进行归一化，得到:

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R(θ)表示多单元阵列的输出幅度随信号入射角的变化而变化。一般来说，对于任意阵列，无论声波从哪个方向入射，都不可能形成同相相加或得到最大输出。只有线性阵列或空间平面阵列才会在阵列法线方向形成同相相加，得到最大输出。但只要处理得当，任何阵列都可以在预定方向形成同相相加，得到最大输出，这就是波束形成的一般原理。

2.2线性阵列相移波束形成

在前面讨论的基础上，线阵相移波束形成的根本目的是在相邻阵元之间插入相移β，那么线阵的和输出为:

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归一化阵列输出幅度变为:

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所以主光束方向满足:

φ-β=0

即:

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所以:

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或者:

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上面的公式表明，通过在单元之间插入不同的相移，可以在不同的方向上控制主波束，这种在单元之间插入相移，在不同的方向上控制主波束方向的方法称为相移波束形成。在窄带(主动声纳)应用中，通常使用相移波束形成。

2.3线性阵列延时波束形成

在线性阵列相移波束形成的讨论中，有:

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因为:

β=2πfτ

所以:

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上述公式表明，通过在元件之间插入不同的时间延迟，可以在不同的方向上控制主光束。这种在单元之间插入时间延迟以控制不同方向的主波束方向的方法称为延迟波束形成。在宽带(被动声纳)应用中，通常使用延时波束形成方法。

2.4圆形阵列波束形成

圆形阵列的元件通常均匀分布在圆周上。因为圆形阵列关于原点是几何对称的，所以它没有方向性。没有自然的定向波束，所以需要对单元信号进行延迟或相移来形成方向性，即使补偿成等效的线性阵列也是如此。简单的实现方法是电子开关波束形成法，用电子开关控制连接一组延迟线到不同的阵元，形成不同方向的波束。

以16元循环数组为例来说明。假设一个圆弧上只有7个阵元形成一个波束(如图3)，如果目标信号来自前方，为了形成同相加，必须将每个阵元的信号延迟补偿到图中所示的直线(蓝色)。设两个相邻阵元所在圆弧的圆心角为α0，则每个阵元所需的相应延迟为:

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τ1=τ7=0(15)

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2.5弧形阵列波束形成

弧形阵列的波束形成是圆形阵列波束形成的一个特例，分布在弧形阵列中的单元最终必须投影到一个等效的线性阵列中。如果指向性由时延控制，则每个阵元的时延算法与“圆形阵列波束形成”的例子相同

2.6频域波束形成

从前面的讨论可以看出，波束形成器可以响应某个方向的信号，抑制其他方向的信号。因此，波束形成实际上是一个空间滤波过程。根据线性系统理论，波束形成也是一种卷积运算，因此可以通过频域的乘积来实现。所以波束也可以在频域形成，这就是频域波束形成。频域波束形成往往采用离散傅里叶变换，在数字信号处理中可以通过快速傅里叶变换来实现，因此频域波束形成的计算复杂度小于时域波束形成(曹洪泽等，2002)。

设一个均匀间距的线性阵列有n个元素，间距为d .对阵列I的输出信号xi(t)进行采样，取L点进行DFT运算，即:

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其中I是数组元素号，K是谱线号，L是时序号。因此，Xi(k)代表由第I个阵元接收的时间序列的频谱。

其次，对序号k相同的谱线进行空间傅里叶变换，将Xi(k)重排为Xk(i)，并进行如下操作:

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其中m是波束号；Wi是阵元的幅度权重；Yk(m)表示第k个频率分量的第m个波束输出。这就是利用二维DFT实现频域波束形成的方法。

3结论

综上所述，换能器的指向性是波束形成原理的基础。目前我国现役多波束测深系统主要有SeaBea m系列、Elac Botto mChart系列、EM系列、SeaBat系列和Atlas DS系列[4]。由于每个系统的生产厂家和工作水深范围不同，多波束系统使用的换能器和发射频率也不同，因此不同系统使用的波束形成方法也不同。

Sea Bea m 2112深水多波束测深系统发射频率为12 KHz，发射机和水听器独立安装，其中发射机14模块，水听器***80通道8模块。水听器为一组四个模块* * *两组呈“V”形安装，换能器为典型的“Mill s Cr oss”安装方式。即便如此，波束形成原理符合线阵相移波束形成原理。1998年8月，厂家按照合同升级了系统，仅通过更换DSP板，系统的波束数就从121升级到151。应该是先进的数字信号处理器完成的线阵相移波束形成下的数字插值波束形成技术(移位边带波束形成)。EM120深水多波束测深系统的发射机和接收机也是独立安装的，属于线性“米勒十字”结构阵列，其基本波束形成原理也符合线性相移波束形成原理。因为波束数有了很大的提高，所以要融合频域波束形成技术。

EM950(或EM1002)的发射频率为95kHz。发射机和水听器安装于一体，波束数为120。换能器是一个半径为45厘米的半圆弧形阵列。作为一种高发射频率的主动声纳系统，它采用了弧形阵列时延和相移波束形成技术的综合。EM3000浅水多波束测深系统发射频率为300kHz，波束数为120。换能器为圆形阵列(李家标等，周兴华等，1999)，采用的技术与EM950类似。

SeaBat系列多波束系统在国内主要是浅水多波束测深系统，浅水多波束系统的换能器一般采用发射机和水听器组合安装。SeaBat8101多波束测深系统频率为240kHz，波束数为101。换能器为圆形阵列，直径32cm，波束形成方式类似于EM系列。

Atlas Fansweep系列是一种多波束测深系统，使用侧扫声纳技术计算多个水深数据。与真正的多波束测深系统相比，其技术指标相对落后。由于制造商产品开发策略的改变，深水多波束系统在最近两年才推出。Atlas DS系列多波束系统在国内没有用户。据说其新一代多波束系统采用Chirp技术，接收波束数将超过300，所以其波束形成技术应该主要是频域波束形成技术。

参考

曹洪泽，李磊，等2002。基于FFT波束形成的BDI算法分析。海洋科技，21(2)，55 ~ 59。

蒋南翔。2000.传感器和阵列。哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，50 ~ 75。

李佳标等1999。多波束测量的原理、技术和方法。北京:海洋出版社，6 ~ 9。

田坦，刘国志，孙大军。2000.声纳技术。哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，63 ~ 120。

周兴华，刘忠臣，付明佐，等。多波束海底地形测量技术规范。8 ~ 14.

多波束关键技术——波束形成

刘玉萍·兰芳·肖波

(广州海洋地质调查局，广州，510760)

针对不同类型的换能器，介绍了一种通用的频域波束形成方法。维度DFT。最后，作者简单说明了多波束应用的不同波束形成技术。文摘:不同排列的换能器决定了换能器阵列的方向性。多波束形成的基础——多波束关键技术是如何控制换能器的方向性。本文用数学运算总结了多波束形成的理论

关键词:多波束换能器方向性波束形成声