多波束测深系统的简介

多波束测深系统，又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声呐等，最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，其技术进步的意义十分突出。

多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统,是现代信号处理技指神术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。自70年代问世以来就一直以系统庞大、结禅敬构复杂和技术含量高著称，世界上主要有美国、加拿大、德国、挪威等国家在生产。

同时获得多个（典型如127，256个）相邻窄波束的回声测深系统。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的多个水深值，一次测量即可覆盖一个宽扇面。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。

测深系统的换能器基阵，由发射声信号的发射阵和接收海底反射回声信号的接收阵组成。发射器发出一个扇形波束，其面垂直于航迹，一般开角为 60°～150°，航迹方向的开角约为0.5°～5°。接收阵接收海底回波信号，经延时或相移后后相加求和，形成几十个或者数百个相邻的波束。航迹方向的波束开角一般为1°～3°，垂直于航迹的开角为0.5°～3°。组合发射和接收波束可得到几十个或几百个窄的测深波束。换能器基阵可以直接装在船底或在双体船上拖曳。为了保证测量精度，必须消除船在航行时纵横摇摆的影响，一般采用姿态传感器进行姿态修正。

多波束测深系统是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟/数字信号处理,形成多个波束，同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据，其测量条带覆盖范围为水深的2一10倍,与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。

与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大贺逗慎、测量速度快、精度和效率高的优点,它把测深技术从点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合进行大面积的海底地形探测。这种多波束测深系统使海底探测经历了一个革命性的变化，深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量。有些国家自其问世之后,己经计划把所有的重要海区都重新测量一遍。正因为多波束条带测深仪与其它测深方法相比具有很多无可比拟的优点，仅仅近20多年时间,世界各国便开发出了多种型号的多波束测深系列产品20世纪60年代初开始，相继研制了几种类型的多波束测深系统，最大工作深度200～12000米，横向覆盖宽度可达深度的 3倍以上。多波束测深系统同综合卫星定位系统配合，由计算机实时处理标绘等深线图，是70年代末以来海道测量工作的一个突破。

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，结纳磨合实际应用，阐述不同系和茄此统波束形成的模式，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）。各阵元位于空间唤迅点（xn，yn，zn）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 transducer

南海地质研究.2005

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：

南海地质研究.2005

所以，阵的输出为：

南海地质研究.2005

因为：

南海地质研究.2005

则：

南海地质研究.2005

所以：

南海地质研究.2005

上式两边同时除以NA进行归一化处理，得：

南海地质研究.2005

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：

南海地质研究.2005

归一化阵输出幅度变为：

南海地质研究.2005

所以主波束方向满足：

φ-β=0

即：

南海地质研究.2005

所以：

南海地质研究.2005

或：

南海地质研究.2005

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：

南海地质研究.2005

因为：

β=2πfτ

所以：

南海地质研究.2005

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：

南海地质研究.2005

τ1=τ7=0（15）

南海地质研究.2005

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xi（t）进行采样，取L点作DFT运算，即：

南海地质研究.2005

其中i为阵元号，k为谱线号，l为时间序号。因此Xi（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Xi（k）重排为Xk（i），进行下列运算：

南海地质研究.2005

其中m为波束号；wi为阵元的幅度权值；Yk（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 transducer，and introduces 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 transducer deter mines the directional property of a transducer array.Multibeampivotal technology——the basis of Beamformingis howto control the directional property of transducer.This article summarizes the theory of beamfor ming with mathematics operation

Key words：Multibeam Transducer Directional Property Beam Forming Sound

作为目前国内最先进的海洋科学综合考察船，“科学”号有着“海上移动实验室”的美誉，是开展深远海综合科学考察研究的国家重大科技基础设施。这是一艘什么样的船？它究竟先进在哪里？让我们一起走进“科学”号，领略它的超凡之处。

特殊的深海考察船

深海考察船是用于海洋大气、水体、海底、深海极端环境等海洋研究的特殊船舶，它整合了多学科的先进装备和技术。出于科学研究的需要，科考船经常要面对复杂的海况，因此，除了船舶系统的设计不同于常规船型外，它还有庞大的船载探测系统、船载实验系统和网络信息系统，以及为探测和实验配套的 *** 控支撑系统等，和普通船只有着很大的区别。

“科学”号海洋科学综合科考船具备大气探测、水体探测、海底探测、深海极端环境探测以及遥感数据现场验证的能力。它的主要科学目标是：揭示大洋环境和海气相互作用对我国乃至全球气候变化的调控作用；阐明大洋生态系统的演化机制，查明大洋碳循环与热带驱动机制及其与我国乃至全球气候变化的联系；探索深海海洋的自然规律和本质；自主开展海底热泉/冷泉系统与地球深部过程研究，揭示深海极端环境与生命过程的关系；发展让仔地球系统科学理论。

领先国际的设计理念

“科学”号是国内第一艘满足《特种用途船舶安全规则（2008）》的要求，采用了吊舱综合电力推进，且具备完全自主知识产权的现代化海洋科学综合考察船。为了使这艘船满足现代海洋科学综合考察的需求，确保船舶性能达到国际先进水平，项目组和设计院重点瞄准国际上新型科考船的先进之处，重点研旦燃究了多波束嵌入式安装的防气泡球艏设计、经济节能的“短长宽比”船型设计、不同推进形式和电站配置的综合评估、艏楼遮蔽甲板抗风稳性研究、 *** 控支撑系统与科考实验室综合布置研究、减振降噪技术研究等关键技术难题。

海洋科学考察船在执行任务期间，难免会遇到恶劣海况，此时，强风使船舶倾覆的风险就不容忽视。为满足特殊抗风力要求，设计团队一方面通过对抗风力影响要素进行研究，力图在设计前期对此加以控制；一方面采用特种结构加强、特殊装备舱容进行密性和分割、减少自由液面、设置减摇水舱等措施，确保船舶在大风浪下的抗风稳性。

在“科学”号的设计过程中，工程师们结合船型发展趋势，根据规范要求和考察需求，不断优化船型尺度和型线，实现了快速性、经济性、耐波性之间的综合平衡。它的快速性和经济性指标，达到甚至超过了国际先进水平。

先进设施数一数

（1）动力定位系统

现代的先进海洋科学考察船都具备动力定位功能，如果没有动力定位，船就只能靠抛锚或漂泊进行作业。但是，在深海海域船是无法抛锚的，而在漂泊模滑虚作业时，船舶的漂泊移动范围可达几百米甚至几十公里，完全无法满足科学考察的原位取样和探测要求。另外，科考船在作业时，一般都是从船尾部向海里下放探测设备，因此对船艏向（船头的朝向）也有着较高的要求。

动力定位，可以理解为“动中取静”，通过不断地修正自己的位置来保持“定位”。“科学”号上的动力定位系统，依托于差分卫星定位导航系统（DGPS）以及水下定位装置，给船舶动力定位系统提供信息和指令，通过主推进系统和艏侧推装置，使其自动调整和随时保持船舶艏向和位置。

（2）吊舱式电力推进系统

吊舱式电力推进系统，全称是“永磁电机吊舱式全回转无舵桨电力推进系统”。它的推进电机不在船体中而是在水下，与螺旋桨做成一体，也没有船舵。整个吊舱式推进器可以水平方向旋转360°，就像现代军用飞机发动机使用矢量喷口一样，可以通过旋转吊舱的方向来调整航行方向。这种推进方式由于没有任何机械传动的能量损耗，所以能量转换效率很高。此外，这种推进系统还有几大好处，比如节省船舱空间、机动灵活性和可 *** 控性强、能够明显降低船舶的振动噪声等。

“科学”号采用的是“双机双桨”的模式，在船尾下方，并列地装着两套吊舱式推进器。它的最大好处是船只 *** 控起来很灵活，同时安全性也更好，如果其中一个螺旋桨坏了，还可以使用另一个进行工作。有了这个先进的吊舱式电力推进系统以后，“科学”号在海上航行或靠、离码头期间，不仅可以自如地前进、后退，还能够完成“横移”和“原地回转”等各种“高难度动作”。

（3）360°环视驾驶室

在驾驶室里，驾驶员可以直接看到船艉的后甲板。为了不挡住驾驶员的视线，“科学”号的烟囱被设计在左侧舷的位置。在驾驶室前方正中，有一套主驾控台，左右两侧还各有一套驾控台，包括动力定位 *** 控台在内，驾驶室里一共有4套 *** 控设备。除此之外，在机舱集控室和主机舱里也可以 *** 控船只。为了满足科学考察作业的需求，在“科学”号后甲板的作业集控室以及ROV控制室里，也分别设置了船舶驾控台和动力定位 *** 控台，被国外专家誉为“创新的设计”。站在“科学”号的驾驶室，你可以看到四周360°的全景，在个别位置还装了落地窗，视野更加开阔。

（4）最大亮点：升降鳍板

“科学”号的最大亮点，就是安装了国内首次研制的升降鳍板装置。在船的中心位置，有两个可以升降的鳍板，可以通过“通海井”（横截面为3米×4米）直接到达船底下方的海水中。鳍板里面装了鱼探仪、海流探测器、浅海多波束声学探测器等设备。

国外有学者做过实验，将探测设备换能器安装在升降鳍板上以后，它的探测精度提高了近1倍！原来，船在行驶过程中，船底水体会形成湍流层，船速越快，湍流层就越厚。而这些湍流层和气泡流形成的屏蔽层，会使声波信号严重衰减。因此，“科学”号采用了升降鳍板，在声学设备探测的时候，装有仪器的鳍板会向船底下方伸出2.7米，这样就穿过了湍流层，避免了干扰，获得的数据也就更精确了。

在船正常航行时，鳍板收回到与船底平齐的位置，以减少航行阻力。另外，有了这个升降鳍板，在出海后也可以很方便地进行换能器的维修和更换，而不必回船坞修理，由此节省了大量的维护成本。

（5）生活设施人性化

“科学”号科考船不仅是严肃的科研场所，更是温馨的海上之家。

在这里，你不会听到船只开动后发出的“嗡嗡”噪声。因为船上所有的大型机械设备都用了二级浮阀减震技术，此外还通过物理隔离的方式，把主机舱死死地密封起来。为了不使噪声传出来，平时还把楼梯通道、上下出口也都封闭起来。

在“科学”号的甲板上，你也听不到任何通风噪声。普通船只上的空调的风速较高，声音很大。为了减少噪声，“科学”号上的空调采用了低风速，如果不注意听的话，甚至都感觉不到。这些在噪声控制细节上的努力，明显提高了船员在海上生活的舒适度。

在公共区域，则设置了很大的空间，配有休闲厅、餐厅、网吧、健身房、桑拿房、咖啡厅、学术报告厅以及电影院，让大家在紧张的工作之余，充分放松并享受快乐。

“科学”号科考船在完成2015年热带西太平洋主流系和暖池综合考察航次后，已于11月15日返回青岛母港进行休整。不久的将来，“科学”号将再一次扬帆远航、乘风破浪，继续探索大洋深处的奥秘，为海洋科学事业做出新的贡献。

（出品：科普中国；制作：《科学世界》杂志社；监制：中国科学院计算机网络信息中心；“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。转载请注明“来源：科普中国”。）

---