哈爾濱工程大學孫大軍教授

Ⅰ 多波束關鍵技術——波束形成原理

余平 劉方蘭 肖波

第一作者簡介：余平，男，高級工程師，1993年畢業於長春地質學院儀器系電子儀器及測量技術專業，現主要從事多波束技術應用與海洋地質調查技術管理工作。

（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）

摘要 換能器陣元的不同排列組合決定其指向性，波束形成是多波束測量的關鍵技術。文中通過數學計算總結了不同換能器陣進行波束形成的工作原理，並介紹了利用二維DFT進行頻域波束形成的一般方法。最後結合現役多波束測深系統，簡單解釋說明不同系統所採用的波束形成技術。

關鍵詞 多波束 陣元 指向性 波束形成 測深

1 前言

我國自20世紀90年代初以來，為滿足近海航道、大洋調查和國家經濟專署區及大陸架勘測的需要，陸續從歐美等國家引進了大量的多波束測深系統（見表1），這些多波束測深系統涵蓋了深水、中深水和淺水等不同海域，我國多波束技術應用迎來了第一個高峰期。

進入21世紀後，隨著舊多波束測深系統的老化以及多波束新技術的推出，多波束測深系統的更新換代已經展開，高精度、高覆蓋、高波束數的多波束系統在一些專項中開始應用。在多波束測深系統的實際使用中，從事多波束測量的技術人員針對不同多波束測深系統所存在的問題進行了大量的研究工作，並出版了多波束技術專著，撰寫了大量的論文。在這些應用型的研究成果中，關於多波束測深系統工作原理的關鍵技術——波束形成技術，要麼是一個簡單的比喻，要麼是籠統大概的說明。本文試圖在總結不同形式的波束形成原理的基礎上，結合實際應用，闡述不同系統波束形成的模式，從而進一步理解多波束測深系統的工作原理。

2 波束形成原理

所謂波束形成是指將一定幾何形狀（直線、圓柱、弧形等）排列的多元基陣各陣元輸出經過處理（例如加權、時延、求和等）形成空間指向性的方法（田坦等，2000）。波束形成也是將一個多元陣經適當處理使其對某些空間方向的聲波具有所需響應的方法。波束形成的方法有很多，特別是在實際應用中，隨著微電子技術、計算技術的快速發展，數字信號處理技術使時域、頻域下的波束形成方法相互貫穿。

表1 我國目前已安裝並使用的多波束測深系統（2004年前）Table1 Multibeam sound system has been installed and used in China（Before 2004）

2.1 波束形成一般原理

波束形成技術來自於基陣具有方向性的原理（蔣楠祥，2000）。設一個由N個無方向性陣元組成的接收換能器陣（如圖1）。各陣元位於空間點（x_n，y_n，z_n）處，將所有陣元的信號相加得到輸出，就形成了基陣的自然指向性。此時，若有一遠場平面波入射到這一基陣上，它的輸出幅度將隨平面入射角的變化而變化。

當信號源在不同方向時，由於各陣接收信號與基準信號的相位差不同，因而形成的和輸出的幅度不同，即陣的響應不同。

如果上述陣是一N元線陣，陣元間距為d，各陣元接收靈敏度相同，平面波入射方向為θ（如圖2）。各陣元輸出信號為：

F₀（t）=Acos（ωt）（1）

南海地質研究.2005

……

圖2 線陣幾何形狀

Fig.2 Geometry shape of line array transcer

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其中A為信號幅度；ω為信號角頻率；φ為相鄰陣元接收信號間的相位差，Re為取實部，有：

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所以，陣的輸出為：

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因為：

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則：

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所以：

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上式兩邊同時除以NA進行歸一化處理，得：

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R（θ）表明，一個多元陣輸出幅度大小隨信號入射角而變化。一般而言，對於一個任意的陣形，無論聲波從哪一個方向入射，均不可能形成同相相加或得到最大輸出，只有直線陣或空間平面陣才會在陣的法線方向形成同相相加，得到最大輸出。然而，任意陣形的陣經過適當的處理，可在預定方向形成同相相加，得到最大輸出，這就是波束形成的一般原理。

2.2 直線陣相移波束形成

在前面討論的基礎上，直線陣相移波束形成的根本目的是：在相鄰陣元之間插入相移β，則直線陣的求和輸出為：

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歸一化陣輸出幅度變為：

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所以主波束方向滿足：

φ-β=0

即：

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所以：

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或：

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上式表明：在陣元間插入不同的相移β，可以控制主波束位於不同的方向，這種在陣元之間插入相移使主波束方向控制於不同方位的方法稱為相移波束形成。在窄帶（主動聲吶）應用中，一般常用相移波束形成方法。

2.3 直線陣時延波束形成

在直線陣相移波束形成的討論中，有：

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因為：

β=2πfτ

所以：

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上式表明：在陣元間插入不同的時延τ，可以控制主波束位於不同的方向，這種在陣元之間插入時延使主波束方向控制於不同方位的方法稱為時延波束形成。在寬頻（被動聲吶）應用中，一般常用時延波束形成方法。

2.4 圓陣波束形成

圓形陣的陣元一般均勻分布在圓周上。由於圓陣是幾何上關於原點對稱的，因而沒有方向性。無自然的指向性波束，必須對陣元信號進行延遲或相移才能形成方向性，即使其補償成一個等效的線陣。簡單的實現方法是電子開關波束形成方法，這種方法利用電子開關進行控制，將一組延遲線接入不同陣元，以形成不同方位的波束。

以16元圓陣為例說明。假定只用圓弧上的七個陣元形成波束（如圖3），如果目標信號從正前方來，為了形成同相相加，必須將各陣元信號延遲補償到圖中所示的直線（藍色）上。設兩相鄰陣元所在圓弧的圓心角為α₀，則各陣元所需的相應延遲為：

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τ₁=τ₇=0（15）

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2.5 弧形陣波束形成

弧形陣的波束形成是圓陣波束形成的一種特殊情況，分布在弧形陣上陣元最終必須投影到一個等效的線陣中。如以時延來完成指向性的控制，各陣元的時延演算法與「圓陣波束形成」的例子相同。

2.6 頻域波束形成

從前面討論中可知，一個波束形成器可對空間某方位的信號有響應，而抑制其它方位的信號，因此，波束形成實際上是一種空間濾波過程。根據線性系統理論，波束形成也是一種卷積運算，因而可用頻域的乘積實現。所以波束也可以在頻域內形成，這就是頻域波束形成。頻域波束形成常採用離散傅里葉變換（DFT），可以用數字信號處理中的快速傅里葉變換（FFT）加以實現，因此頻域波束形成比時間域波束形成運算量要小（曹洪澤等，2002）。

設均勻間隔直線陣有N個陣元，間距為d。對陣元i的輸出信號x_i（t）進行采樣，取L點作DFT運算，即：

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其中i為陣元號，k為譜線號，l為時間序號。因此X_i（k）表示第i號陣元接收的時間序列的譜。

其次，對同一序號k的譜線作空間傅里葉變換，將X_i（k）重排為X_k（i），進行下列運算：

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其中m為波束號；w_i為陣元的幅度權值；Y_k（m）代表k號頻率分量的第m號波束輸出。這就是利用二維DFT實現頻域波束形成的方法。

3 結論

綜上所述，換能器的指向性是波束形成原理的基礎。目前我國現役的多波束測深系統主要包括SeaBea m系列、Elac Botto mChart系列、EM系列、SeaBat系列和Atlas DS系列等^［4］，由於各系統生產廠家和工作水深范圍不同，多波束系統採用的換能器、發射頻率不同，因此，不同系統採用的波束形成方法也不盡相同。

Sea Bea m 2112深水多波束測深系統發射頻率12 KHz，發射器和水聽器獨立安裝，其中發射器14個模塊，水聽器8個模塊共80個通道。水聽器是4個模塊一組共兩組呈「V」型安裝，換能器是典型的「米勒十字交叉」（Mill s Cr oss）安裝模式。即便如此，波束形成原理符合直線陣相移波束形成原理。1998年8月，廠家根據合同對系統進行升級，在僅更換DSP 板的情況下，使系統的波束數從121個升級為151個，應該是運用了高級數字信號處理器完成的直線陣相移波束形成下的數字內插波束形成技術（移位邊帶波束形成）。EM120深水多波束測深系統的發射接收器也是獨立安裝，屬於線性的「米勒十字交叉」結構陣，其基本的波束形成原理也是符合直線相移波束形成原理，由於其波束數已大大提高，應該還綜合有頻域波束形成技術。

EM950（或EM1002）中深水多波束測深系統發射頻率95kHz，發射器和水聽器二合一安裝，波束數120個。換能器是一個半徑為45cm的半圓弧形陣，作為一個高發射頻率的主動聲吶系統，採用的是弧形陣時延和相移波束形成技術的綜合。EM3000淺水多波束測深系統發射頻率300kHz，波束數120個，換能器是一個圓形陣（李家彪等，周興華等，1999），採用技術與EM950類似。

SeaBat系列多波束系統在國內主要以淺水多波束測深系統為主，淺水多波束系統的換能器一般都是採用發射器和水聽器二合一安裝方式。SeaBat8101多波束測深系統的發生頻率240kHz，波束數101個。換能器是一個直徑為32cm的圓形陣，採用的波束形成方式與EM系列的類似。

Atlas Fansweep系列是利用側掃聲吶技術計算多個水深數據的多波束測深系統，與真正多波束測深系統比較起來技術指標相對落後。由於廠家產品開發戰略轉變的原因，深水多波束系統在近兩年才推出。Atlas DS系列多波束系統在國內還沒有用戶，據稱其新一代多波束系統採用了Chirp技術，接收波束數將超過300個，因此其波束形成技術應該主要以頻域波束形成技術為主。

參考文獻

曹洪澤，李蕾等.2002.一種基於FFT 波束形成的BDI 演算法分析研究.海洋技術，21（2），55～59

蔣楠祥.2000.換能器與基陣.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，50～75

李家彪等.1999.多波束勘測原理技術與方法.北京：海洋出版社，6～9

田坦，劉國枝，孫大軍.2000.聲吶技術.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，63～120

周興華，劉忠臣，傅命左等.1999.多波束海底地形勘測技術規程.8～14

Multibeam Pivotal Technology——Beam Forming

Yu Ping Liu Fanglan Xiao Bo

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

for different type of transcer，and introces a universal way of frequency domain beam forming by using 2⁃dimension DFT.Finally，the author simply explains the different beam forming technology which the multibeam have in use.Abstract：Different arranged transcer deter mines the directional property of a transcer array.Multibeampivotal technology——the basis of Beamformingis howto control the directional property of transcer.This article summarizes the theory of beamfor ming with mathematics operation

Key words：Multibeam Transcer Directional Property Beam Forming Sound

Ⅱ 哈爾濱工程大學考研初試中考的《材料科學基礎》是由誰主編，哪個出版社出版的

我記得我們是武漢理工大學編的，還有一本是偏金屬材料的，不記得了！！

Ⅲ 孫大軍是誰

孫大軍是孫權的干兒子。

Ⅳ 孫大軍的介紹

孫大軍，教授，男，1972年2月出生，1996年留校任教，現任哈爾濱工程大學教授，博士生導師，水聲工程學院院長，主要從事水聲工程方面的教學研究工作。

Ⅳ 我國第一台半導體大型體計算機是

103機，我國第一台小型通用數字電子計算機，每秒運算2500次，1958年製成。

研製隊伍：在前蘇聯專家的幫助下，由七機部張梓昌高級工程師領導研發的中國第一台數字電子計算機103機（定點32二進制位，每秒2500次）在中國科學院計算技術研究所誕生，並於1958年交付使用。參與研發的骨幹有董占球、王行剛等年輕人。

Ⅵ 大連測控技術研究所專業課科目

大連測控技術研究所

大連測控技術研究所坐落於大連風景秀麗的南部海濱，依山傍海，毗臨著名的虎灘公園，始建於1967年，曾先後隸屬於國防科學技術委員會、海軍、第六機械工業部、中國船舶工業總公司，其前身是國防部第七研究院，1999年在國防科技工業體制調整中，主體進入中國船舶重工集團公司。是從事海洋環境研究、海洋應用物理研究及承擔海上試驗任務的先導性、基礎性科研事業單位，下設研究室、軟體開發中心、國家級重點實驗室、國家級艦船雜訊檢測中心、國家級計量校準實驗室、海上試驗船隊與兩座專用碼頭。建所以來圓滿完成了多項科研項目，獲得省部級以上科技成果獎上百項，並先後與俄、美、德、法、意、韓、日等多個國家進行技術合作和學術交流，榮獲大連市文明單位稱號，並被確定為國家骨幹科研事業單位。

我所擁有一流的科研試驗設施，為專業攻尖端、攀高峰提供了無比優良的技術基礎；所區環境優雅，研究生公寓有如家般感覺。以人為本、珍愛人才已成為我所的共識和時尚，竭誠歡迎有志青年報考我所。

報考說明：

1.招生類別：國家計劃內定向生

2.報名時間：按教育部規定

3.報名地點：考生戶口所在地招辦

4.考試時間：按教育部規定

5.在學期間待遇：應屆生600元/月

2年以上工齡650元/月

4年以上工齡700元/月

單位代碼：86220 地址：大連市中山區濱海街14號 郵政編碼：116013

聯系部門：人事處 電話：0411-2673008 聯系人：沈虹

專業代碼、名稱及研究方向
人數
考試科目
備注

082403 水聲工程

01水聲信號處理

02水聲測試技術

03水聲物理

2

①101政治

②201英語

③202俄語

④301數學一

⑤401聲學基礎

⑥402信號與系統[]

②、③任選一

⑤、⑥任選一

大連測控技術研究所參考書目

考試科目
使用教材
編者姓名
出版社名稱

401聲學基礎
《聲學理論基礎》

《水聲學原理》

《聲吶技術》
何祚鏞、趙玉芳

劉伯勝、雷家煜

田坦、劉國枝、

孫大軍
國防工業出版社

哈爾濱工程大學出版社

哈爾濱工程大學出版社

402信號與系統
《信號與系統》（上、下）

《水聲信號處理》
鄭君里等

錢秋珊、陸根源
高等教育出版社

國防工業出版社

Ⅶ 孫大軍的人物教學

1、哈爾濱工程大學水聲工程學院「聲納技術」精品課本科教學（1996－至今），參與編著的「聲納技術」船舶類重點教材獲得2002年度教育部優秀教材二等獎，該課程2009年獲省級精品課稱號。
2、哈爾濱工程大學水聲工程學院「現代聲納技術」課程碩士教學（2006-至今）
3、哈爾濱工程大學水聲工程學院「水聲信號處理專題」博士課教學（2007-至今）
4、正在指導碩士研究生20名，博士研究生6名，已畢業碩士研究生15名

Ⅷ 哈工程研發了什麼東西打破了國際壟斷

2014年試驗性應用航次第一航段的科考任務中,由哈爾濱工程大學自主研發的國產高精度「超短基線定位系統」首次在「蛟龍」號上亮相，打破了國際壟斷。

Ⅸ 哈爾濱工程大學哪些教授的課是必須要去蹭的

雖然說作為哈爾濱工程大學的一名大二本科生，我才在這所學校生活學習不過兩年，但是願意接受新鮮事物的我，恨不得把所有選修課都上一遍，但是在有限的選擇中，我還是遇到了幾位非常厲害的老師，下面為大家介紹一位絕對絕對絕對不能錯過的老師，也是我最佩服的老師，胡泊老師。