哈尔滨工程大学孙大军教授

Ⅰ 多波束关键技术——波束形成原理

余平 刘方兰 肖波

第一作者简介：余平，男，高级工程师，1993年毕业于长春地质学院仪器系电子仪器及测量技术专业，现主要从事多波束技术应用与海洋地质调查技术管理工作。

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

摘要 换能器阵元的不同排列组合决定其指向性，波束形成是多波束测量的关键技术。文中通过数学计算总结了不同换能器阵进行波束形成的工作原理，并介绍了利用二维DFT进行频域波束形成的一般方法。最后结合现役多波束测深系统，简单解释说明不同系统所采用的波束形成技术。

关键词 多波束 阵元 指向性 波束形成 测深

1 前言

我国自20世纪90年代初以来，为满足近海航道、大洋调查和国家经济专署区及大陆架勘测的需要，陆续从欧美等国家引进了大量的多波束测深系统（见表1），这些多波束测深系统涵盖了深水、中深水和浅水等不同海域，我国多波束技术应用迎来了第一个高峰期。

进入21世纪后，随着旧多波束测深系统的老化以及多波束新技术的推出，多波束测深系统的更新换代已经展开，高精度、高覆盖、高波束数的多波束系统在一些专项中开始应用。在多波束测深系统的实际使用中，从事多波束测量的技术人员针对不同多波束测深系统所存在的问题进行了大量的研究工作，并出版了多波束技术专著，撰写了大量的论文。在这些应用型的研究成果中，关于多波束测深系统工作原理的关键技术——波束形成技术，要么是一个简单的比喻，要么是笼统大概的说明。本文试图在总结不同形式的波束形成原理的基础上，结合实际应用，阐述不同系统波束形成的模式，从而进一步理解多波束测深系统的工作原理。

2 波束形成原理

所谓波束形成是指将一定几何形状（直线、圆柱、弧形等）排列的多元基阵各阵元输出经过处理（例如加权、时延、求和等）形成空间指向性的方法（田坦等，2000）。波束形成也是将一个多元阵经适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响应的方法。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、计算技术的快速发展，数字信号处理技术使时域、频域下的波束形成方法相互贯穿。

表1 我国目前已安装并使用的多波束测深系统（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

波束形成技术来自于基阵具有方向性的原理（蒋楠祥，2000）。设一个由N个无方向性阵元组成的接收换能器阵（如图1）。各阵元位于空间点（x_n，y_n，z_n）处，将所有阵元的信号相加得到输出，就形成了基阵的自然指向性。此时，若有一远场平面波入射到这一基阵上，它的输出幅度将随平面入射角的变化而变化。

当信号源在不同方向时，由于各阵接收信号与基准信号的相位差不同，因而形成的和输出的幅度不同，即阵的响应不同。

如果上述阵是一N元线阵，阵元间距为d，各阵元接收灵敏度相同，平面波入射方向为θ（如图2）。各阵元输出信号为：

F₀（t）=Acos（ωt）（1）

南海地质研究.2005

……

图2 线阵几何形状

Fig.2 Geometry shape of line array transcer

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其中A为信号幅度；ω为信号角频率；φ为相邻阵元接收信号间的相位差，Re为取实部，有：

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所以，阵的输出为：

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因为：

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则：

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所以：

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上式两边同时除以NA进行归一化处理，得：

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R（θ）表明，一个多元阵输出幅度大小随信号入射角而变化。一般而言，对于一个任意的阵形，无论声波从哪一个方向入射，均不可能形成同相相加或得到最大输出，只有直线阵或空间平面阵才会在阵的法线方向形成同相相加，得到最大输出。然而，任意阵形的阵经过适当的处理，可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 直线阵相移波束形成

在前面讨论的基础上，直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，则直线阵的求和输出为：

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归一化阵输出幅度变为：

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所以主波束方向满足：

φ-β=0

即：

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所以：

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或：

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上式表明：在阵元间插入不同的相移β，可以控制主波束位于不同的方向，这种在阵元之间插入相移使主波束方向控制于不同方位的方法称为相移波束形成。在窄带（主动声呐）应用中，一般常用相移波束形成方法。

2.3 直线阵时延波束形成

在直线阵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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上式表明：在阵元间插入不同的时延τ，可以控制主波束位于不同的方向，这种在阵元之间插入时延使主波束方向控制于不同方位的方法称为时延波束形成。在宽带（被动声呐）应用中，一般常用时延波束形成方法。

2.4 圆阵波束形成

圆形阵的阵元一般均匀分布在圆周上。由于圆阵是几何上关于原点对称的，因而没有方向性。无自然的指向性波束，必须对阵元信号进行延迟或相移才能形成方向性，即使其补偿成一个等效的线阵。简单的实现方法是电子开关波束形成方法，这种方法利用电子开关进行控制，将一组延迟线接入不同阵元，以形成不同方位的波束。

以16元圆阵为例说明。假定只用圆弧上的七个阵元形成波束（如图3），如果目标信号从正前方来，为了形成同相相加，必须将各阵元信号延迟补偿到图中所示的直线（蓝色）上。设两相邻阵元所在圆弧的圆心角为α₀，则各阵元所需的相应延迟为：

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τ₁=τ₇=0（15）

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2.5 弧形阵波束形成

弧形阵的波束形成是圆阵波束形成的一种特殊情况，分布在弧形阵上阵元最终必须投影到一个等效的线阵中。如以时延来完成指向性的控制，各阵元的时延算法与“圆阵波束形成”的例子相同。

2.6 频域波束形成

从前面讨论中可知，一个波束形成器可对空间某方位的信号有响应，而抑制其它方位的信号，因此，波束形成实际上是一种空间滤波过程。根据线性系统理论，波束形成也是一种卷积运算，因而可用频域的乘积实现。所以波束也可以在频域内形成，这就是频域波束形成。频域波束形成常采用离散傅里叶变换（DFT），可以用数字信号处理中的快速傅里叶变换（FFT）加以实现，因此频域波束形成比时间域波束形成运算量要小（曹洪泽等，2002）。

设均匀间隔直线阵有N个阵元，间距为d。对阵元i的输出信号x_i（t）进行采样，取L点作DFT运算，即：

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其中i为阵元号，k为谱线号，l为时间序号。因此X_i（k）表示第i号阵元接收的时间序列的谱。

其次，对同一序号k的谱线作空间傅里叶变换，将X_i（k）重排为X_k（i），进行下列运算：

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其中m为波束号；w_i为阵元的幅度权值；Y_k（m）代表k号频率分量的第m号波束输出。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。目前我国现役的多波束测深系统主要包括SeaBea m系列、Elac Botto mChart系列、EM系列、SeaBat系列和Atlas DS系列等^［4］，由于各系统生产厂家和工作水深范围不同，多波束系统采用的换能器、发射频率不同，因此，不同系统采用的波束形成方法也不尽相同。

Sea Bea m 2112深水多波束测深系统发射频率12 KHz，发射器和水听器独立安装，其中发射器14个模块，水听器8个模块共80个通道。水听器是4个模块一组共两组呈“V”型安装，换能器是典型的“米勒十字交叉”（Mill s Cr oss）安装模式。即便如此，波束形成原理符合直线阵相移波束形成原理。1998年8月，厂家根据合同对系统进行升级，在仅更换DSP 板的情况下，使系统的波束数从121个升级为151个，应该是运用了高级数字信号处理器完成的直线阵相移波束形成下的数字内插波束形成技术（移位边带波束形成）。EM120深水多波束测深系统的发射接收器也是独立安装，属于线性的“米勒十字交叉”结构阵，其基本的波束形成原理也是符合直线相移波束形成原理，由于其波束数已大大提高，应该还综合有频域波束形成技术。

EM950（或EM1002）中深水多波束测深系统发射频率95kHz，发射器和水听器二合一安装，波束数120个。换能器是一个半径为45cm的半圆弧形阵，作为一个高发射频率的主动声呐系统，采用的是弧形阵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300kHz，波束数120个，换能器是一个圆形阵（李家彪等，周兴华等，1999），采用技术与EM950类似。

SeaBat系列多波束系统在国内主要以浅水多波束测深系统为主，浅水多波束系统的换能器一般都是采用发射器和水听器二合一安装方式。SeaBat8101多波束测深系统的发生频率240kHz，波束数101个。换能器是一个直径为32cm的圆形阵，采用的波束形成方式与EM系列的类似。

Atlas Fansweep系列是利用侧扫声呐技术计算多个水深数据的多波束测深系统，与真正多波束测深系统比较起来技术指标相对落后。由于厂家产品开发战略转变的原因，深水多波束系统在近两年才推出。Atlas DS系列多波束系统在国内还没有用户，据称其新一代多波束系统采用了Chirp技术，接收波束数将超过300个，因此其波束形成技术应该主要以频域波束形成技术为主。

参考文献

曹洪泽，李蕾等.2002.一种基于FFT 波束形成的BDI 算法分析研究.海洋技术，21（2），55～59

蒋楠祥.2000.换能器与基阵.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，50～75

李家彪等.1999.多波束勘测原理技术与方法.北京：海洋出版社，6～9

田坦，刘国枝，孙大军.2000.声呐技术.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，63～120

周兴华，刘忠臣，傅命左等.1999.多波束海底地形勘测技术规程.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 哈尔滨工程大学考研初试中考的《材料科学基础》是由谁主编，哪个出版社出版的

我记得我们是武汉理工大学编的，还有一本是偏金属材料的，不记得了！！

Ⅲ 孙大军是谁

孙大军是孙权的干儿子。

Ⅳ 孙大军的介绍

孙大军，教授，男，1972年2月出生，1996年留校任教，现任哈尔滨工程大学教授，博士生导师，水声工程学院院长，主要从事水声工程方面的教学研究工作。

Ⅳ 我国第一台半导体大型体计算机是

103机，我国第一台小型通用数字电子计算机，每秒运算2500次，1958年制成。

研制队伍：在前苏联专家的帮助下，由七机部张梓昌高级工程师领导研发的中国第一台数字电子计算机103机（定点32二进制位，每秒2500次）在中国科学院计算技术研究所诞生，并于1958年交付使用。参与研发的骨干有董占球、王行刚等年轻人。

Ⅵ 大连测控技术研究所专业课科目

大连测控技术研究所

大连测控技术研究所坐落于大连风景秀丽的南部海滨，依山傍海，毗临著名的虎滩公园，始建于1967年，曾先后隶属于国防科学技术委员会、海军、第六机械工业部、中国船舶工业总公司，其前身是国防部第七研究院，1999年在国防科技工业体制调整中，主体进入中国船舶重工集团公司。是从事海洋环境研究、海洋应用物理研究及承担海上试验任务的先导性、基础性科研事业单位，下设研究室、软件开发中心、国家级重点实验室、国家级舰船噪声检测中心、国家级计量校准实验室、海上试验船队与两座专用码头。建所以来圆满完成了多项科研项目，获得省部级以上科技成果奖上百项，并先后与俄、美、德、法、意、韩、日等多个国家进行技术合作和学术交流，荣获大连市文明单位称号，并被确定为国家骨干科研事业单位。

我所拥有一流的科研试验设施，为专业攻尖端、攀高峰提供了无比优良的技术基础；所区环境优雅，研究生公寓有如家般感觉。以人为本、珍爱人才已成为我所的共识和时尚，竭诚欢迎有志青年报考我所。

报考说明：

1.招生类别：国家计划内定向生

2.报名时间：按教育部规定

3.报名地点：考生户口所在地招办

4.考试时间：按教育部规定

5.在学期间待遇：应届生600元/月

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单位代码：86220 地址：大连市中山区滨海街14号 邮政编码：116013

联系部门：人事处 电话：0411-2673008 联系人：沈虹

专业代码、名称及研究方向
人数
考试科目
备注

082403 水声工程

01水声信号处理

02水声测试技术

03水声物理

2

①101政治

②201英语

③202俄语

④301数学一

⑤401声学基础

⑥402信号与系统[]

②、③任选一

⑤、⑥任选一

大连测控技术研究所参考书目

考试科目
使用教材
编者姓名
出版社名称

401声学基础
《声学理论基础》

《水声学原理》

《声呐技术》
何祚镛、赵玉芳

刘伯胜、雷家煜

田坦、刘国枝、

孙大军
国防工业出版社

哈尔滨工程大学出版社

哈尔滨工程大学出版社

402信号与系统
《信号与系统》（上、下）

《水声信号处理》
郑君里等

钱秋珊、陆根源
高等教育出版社

国防工业出版社

Ⅶ 孙大军的人物教学

1、哈尔滨工程大学水声工程学院“声纳技术”精品课本科教学（1996－至今），参与编著的“声纳技术”船舶类重点教材获得2002年度教育部优秀教材二等奖，该课程2009年获省级精品课称号。
2、哈尔滨工程大学水声工程学院“现代声纳技术”课程硕士教学（2006-至今）
3、哈尔滨工程大学水声工程学院“水声信号处理专题”博士课教学（2007-至今）
4、正在指导硕士研究生20名，博士研究生6名，已毕业硕士研究生15名

Ⅷ 哈工程研发了什么东西打破了国际垄断

2014年试验性应用航次第一航段的科考任务中,由哈尔滨工程大学自主研发的国产高精度“超短基线定位系统”首次在“蛟龙”号上亮相，打破了国际垄断。

Ⅸ 哈尔滨工程大学哪些教授的课是必须要去蹭的

虽然说作为哈尔滨工程大学的一名大二本科生，我才在这所学校生活学习不过两年，但是愿意接受新鲜事物的我，恨不得把所有选修课都上一遍，但是在有限的选择中，我还是遇到了几位非常厉害的老师，下面为大家介绍一位绝对绝对绝对不能错过的老师，也是我最佩服的老师，胡泊老师。