（电路与系统专业论文）多波束信号实时处理技术研究.pdf

i 、一 n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c s a n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t e s c h o o l c o l l e g eo fl n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s t u d i e so nr e a lt i m e s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e s f o rm u l t i b e a m s y s t e m a t h e s i si n e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y z h a n gx i a o y a n a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rn a m es h a oj i e s u b m i t t e di np a a i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 一 。锰澄譬鬈露露骰； 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) q 毒 ， i ” i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着多波束测深技术的不断变革，新型的多波束测深系统向着小型化、多功能、高精度、 高集成、综合化和标准化方向发展。本文主要致力于多波束测深系统中波束形成算法的研究及 f p g a 实现。 首先，以等间隔线阵和平面阵为基阵模型，分别介绍了c b f 算法、d f t 波束形成算法以及 f i m 波束形成算法。仿真和分析结果表明：f i m 算法的主瓣宽度比c b f 算法窄，d f t 算法运算效 率最高。 其次，讨论了发射波束形成方案，针对延时失配误差，采用了基于d a 输出时钟的发射粗 延时和基于d d s 原理的发射细延时相结合的相控发射技术。粗延时分辨率为0 0 9 8p s ，细延时 达到了0 0 9 。的相位分辨率，对应5 0k h z 发射信号下4 8 8 n s 的相位延时，实现了高精度的相控发 射。 再次，基于接收波束形成系统的高精度实现方案，对浮点加法器，浮点乘法器的深度流水 线结构进行了优化设计。经过仿真验证：在v i r t e x - 4 系列f p g a 上，最高运行频率较x i l i n x 的 核分别提高了l o 、3 5 5 。 然后，以“v ，型平面阵为基阵模型，讨论了接收波束形成系统的实现方案，包括数据缓冲 器、h i l b e r t 变换器以及常规波束形成器的设计。仿真结果表明：接收波束形成器的最高运行频 率达到了2 0 3 7 5m h z ，能在2 5 螂内完成一个时间片的波束扫描，满足了系统实时性的要求。 接着，讨论了基于f p g a 的d f t 波束形成简化算法和实现结构，包括存储单元、地址产生 单元以及蝶形运算单元的设计。仿真结果表明：系统的最高运行频率达到了1 3 2 2 4m h z ，与 d s p 实现方案相比，处理时间减少了2 4 5 。 最后，以等间隔线阵为基阵模型，探讨了f i m 波束形成算法的f p g a 实现结构，进行了功 能模块划分和逻辑实现，并验证了方案的可行性。 关键词：波束形成，浮点加法器，浮点乘法器，平面阵，f f t ，f p g a 多波束信号实时处理技术研究 w i t ht h ec o n s t a n tr e v o l u t i o no fm u l t i b e a me c h os o u n d i n gt e c h n i q u e s , r e s e a r c h e so fm o d e r n m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r sa l ed e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o n so fm i n i a t u r i z a t i o n ，m u l t i - f u n c t i o n , h i g h - p r e c i s i o n , h i g h - i n t e g r a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n t h i st h e s i s f o c u s e so nt h eb e a m f o r m i n g a l g o r i t h m sa n dt h ef p g ai m p l e m e n t a t i o n f i r s t l y , c b fa l g o r i t h m ，d f tb e a m f o r m i n ga l g o r i t h ma n df i mb e a m f o r m i n ga l g o r i t h ma r e i n t r o d u c e db a s e do nu n i f o r ml i n e a ra r r a ya n dh o r i z o n t a lp l a n a ra r r a y s i m u l a t i o n sa n dc o m p a r i s o n s a r ec a r r i e do u t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i n l o b eb e a r n w i d t ho ff i ma l g o r i t h mi sm u c hn a r r o w e r t h a nt h a to fc b f a l g o r i t h m ，a n dd f ta l g o r i t h mh a st h eh i g h e s to p e r a t i o ne f f i c i e n c y s e c o n d l y , ap l a no ft r a n s m i tb e a m f o r m i n gi sg i v e n t h ec o a r s et r a n s m i s s i o np h a s ed e l a yb a s e d o nd ac l o c ki s0 0 9 8l a s ，w h i l et h ep h a s ed e l a yc o m b i n e dw i t hd d st e c h n i q u ea c h i e v e so 0 9 。p h a s e r e s o l u t i o n ，w h i c hc o r r e s p o n d st o4 8 8n st i m er e s o l u t i o na t5 0k h zt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c y t h i r d l y ，ad e s i g nf o ro p t i m i z i n gf l o a t i n g - p o i n tu n i t sb a s e do np i p e l i n es t r u c t u r e si se x p l o r e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mf r e q u e n c yo ff l o a t i n g - p o i n ta d d e ra n df l o a t i n g - p o i n tm u l t i p l i e r c o m p a r e dw i t ht h a to fi pc o r eo nx i l i n xv i r t e x - 4 s e r i e sf p g ai si n c r e a s e db y1 0 a n d3 0 7 r e s p e c t i v e l y t h e n ，a l lf p g ai m p l e m e n t a t i o no fr e c e i v i n gb e a m f o r m i n gs y s t e mb a s e do nv - 够p eh o r i z o n t a l p l a n a ra r r a yi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e sd a t ab u f f e r , h i l b e r tc o n v e r t e ra n dc o n v e n t i o n a l b e a m f o r m e r s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h em a x i m u mf r e q u e n c yo f t h es y s t e ma c h i e v e s2 0 3 7 51 v i h z t h e w h o l ep r o g r a m sc a nf i n i s hb e a ms c a n n i n gi n2 5l x sw h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e n e x t , a nf p g ai m p l e m e n t a t i o no fd f tb e a m f o r m i n gt e c h n i q u eb a s e do ns h o r t c u tc a l c u l a t i o ni s p r e s e n t e d ，c o n t a i n i n gb u t t f l yc a l c u l a t o r , a d d r e s sg e n e r a t o ra n dd a t as t o r a g e s i m u l a t i o n si n d i c a t et h e m a x i m u mf r e q u e n c yr e a c h e s13 2 2 4 m h z , w h i c hm a k e st h eo p e r a t i o nt i m ed e c r e a s eb y2 4 5 ， c o m p a r e dw i t hd s pi m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y ，a nf p g ai m p l e m e n t a t i o no ff i mt e c h n i q u eb a s e do nu n i f o r ml i n e a ra r r a yi ss h o w n ， w h i c hi n c l u d e sc o v a r i a n c em a t r i x , t h ea v e r a g eo ft o e p l i t zm a t r i xa n df f tb e a m f o r m i n g s i m u l a t i o n r e s u l t sv e r i f yi t sf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：b e a m f o r m i n g 。f l o a t i n gp o i n ta d d e r , f l o a t i n gp o 硫m u l t i p l i e r , p l a n a ra r r a y , f f t , f p g a i i ， # v 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 概j 遣。l 1 2 多波束测深系统的发展概况1 1 2 1 多波束测深的一般原理。l 1 2 2 平面相控阵2 1 2 3 多波束测深系统国内外发展概况2 1 3 多波束测深系统中信号处理技术的发展5 1 3 1 多波束测深系统中信号处理技术的应用5 1 3 2 波束形成算法的发展和现状6 - 1 3 3f p g a 实现的优越性o 7 1 4 论文主要的研究内容一。8 第二章波束形成算法1 0 2 1 理想信号模型1 0 2 2 海底回波信号模型l0 2 3 常规波束形成( c b f ) 算法1 1 2 4 离散傅立叶变换f t ) 波束形成算法1 3 2 5 傅里叶积分( f j m ) 波束形成算法。；1 4 2 6 计算机仿真及结果分析1 6 2 6 1 波束形成算法的m a t l a b 仿真1 6 2 6 2 实测信号仿真2 0 2 6 3 海底回波信号仿真2 2 2 7 本章小结2 4 第三章基于f p g a 的声呐相控发射技术2 5 3 1 总体方案设计2 5 3 1 1 采用“v ”型平面阵。2 5 3 1 2 采用旋转相控发射技术2 5 3 1 3 运动补偿2 6 3 2 运动补偿模型2 6 3 2 1 运动误差模型的建立2 6 i i i 多波束信号实时处理技术研究 3 2 2 船舶摇摆运动的数学平台模型2 7 3 2 3 计算机仿真2 9 3 3 发射波束形成。3l 3 3 1 发射波束分配3l 3 3 2 发射时间分配3l 3 3 3 发射波束形成方法3 2 3 4 相控发射延时的f p g a 实现3 3 3 4 1 基于d a 时钟的相控发射粗延时3 3 3 4 2d d s 原理。3 3 3 4 3 基于d d s 实现的相控发射细延时。3 4 3 5 仿真结果及分析3 5 3 6 本章小结3 7 第四章高速浮点运算单元的f p g a 实现3 8 4 1 浮点数的表示( i e e e7 5 4 标准) 3 8 4 2 浮点加法运算单元的f p g a 实现3 8 4 2 1 对阶移位模块4 0 4 2 2 加减法操作模块4l 4 2 3 结果选择4 3 4 3 浮点乘法运算单元的f p g a 实现4 3 4 3 1 二阶( 基4 ) 的b o o t h 编码4 4 4 3 2 改进的4 2 压缩器。4 5 4 3 3w a l l a c e 树4 6 4 4 结果分析4 6 4 4 1 浮点加法器性能分析4 7 4 4 2 浮点乘法器性能分析4 8 4 4 3 分析比较4 9 4 5 本章小结5l 第五章基于平面阵的c b f 算法的f p g a 实现5 2 5 1 总体设计5 2 5 1 1f p g a 芯片选择5 2 5 1 2 系统结构5 2 5 1 3 数据位宽的选择5 3 i v l p 套 南京航空航天大学硕士学位论文 5 2 模块化设计5 4 5 2 1 数据缓冲5 4 5 2 2 希尔伯特( h i l b e r 0 变换器5 4 5 2 3 定点数、浮点数转换5 6 5 2 4 常规波束形成器5 6 5 3 结果验证及分析5 8 5 3 1 验证逻辑模块的正确性5 8 5 3 2 结果分析6 0 5 3 3 实时性分析6 0 5 4 本章小结：6l 第六章基于f p g a 的d f t 波束形成算法实现。6 2 6 1 数据位宽的选择6 2 6 2 浮点f f t 算法的f p g a 实现二：6 2 6 2 1 简化算法。6 3 6 2 2 存储单元6 4 6 2 3 地址产生模块6 4 6 2 4 蝶形运算单元6 7 6 3 结果验证及分析6 8 6 3 1 验证逻辑模块的正确性6 8 6 3 2 结果分析6 8 6 4 本章小结6 9 第七章基于u l a 的f i m 波束形成算法的f p g a 实现7 0 7 1 总体结构设计7 0 7 2f p g a 内部逻辑模块化设计7l 7 2 1 协方差矩阵模块。71 7 2 2t o e p l i t z 平均模块7 2 7 2 3f f t 模块7 4 7 3 结果验证及分析7 4 7 3 1 验证逻辑模块的正确性7 4 7 3 2 结果分析7 4 7 4 本章小结7 5 第八章总结与展望7 6 v 多波束信号实时处理技术研究 参考文献7 8 致谢：8 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 3 v i 一 叁 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 多波束测深仪原理示意图2 图1 2 发射系统组成框图5 图1 3 接收系统组成框图6 图2 1 回波信号示意图。1 0 图2 2 海底回波模型示意图1l 图2 3u l a 示意图1 2 图2 4 矩形平面阵以及入射信号的三维结构图1 2 图2 5u l a 的c b f 波束图17 图2 6u l a 的1 6 点d f t 波束图：1 7 图2 7u l a 经补零后的d f t 波束图1 7 图2 8u l a 的f i m 波束形成18 图2 9u l a 加窗f i m 波束形成1 8 图2 1 0 矩形平面阵的c b f 算法三维波束图1 8 图2 1 l 矩形平面阵的c b f 算法侧视图1 8 图2 1 2 矩形平面阵的3 2 点f f t 波束形成算法三维波束图1 9 图2 1 3 矩形平面阵的3 2 点f f t 波束形成算法侧视图1 9 图2 1 4 矩形平面阵的f i m 形成算法三维波束图1 9 图2 1 5 矩形平面阵的f i m 形成算法侧视图2 0 图2 1 6 实测数据各阵元接收的信号波形图2 l 图2 17 实测数据的c b f 算法仿真图2 l 图2 1 8 实测数据的d f t 波束形成算法仿真图2 l 图2 1 9 实测数据的f i m 波束形成算法仿真图2l 图2 2 0 回波仿真信号2 2 图2 2 l 正交信号分解原理图2 3 图2 2 2h i l b e r t 变换器的幅频、相频特性曲线2 3 图2 2 3 回波信号的c b f 算法仿真图2 3 图2 2 4 回波信号的d f t 波束形成算法仿真图2 4 图2 2 5 回波信号的f i m 波束形成算法仿真图2 4 v 多波束信号实时处理技术研究 图3 1 “v 型阵示意图。2 5 图3 2 运动补偿系统示意图2 6 图3 3 运动误差模型2 6 图3 4 艏向坐标系定义2 6 图3 5 船体坐标系定义2 7 图3 6 基阵坐标系定义2 7 图3 7 坐标变换仿真图3 0 图3 8s e a b e a m1 0 5 5 不同工作方式下的最大深度和覆盖面3 l 图3 9 相控发射示意图3 2 图3 10 相控发射原理框图( 一个通道) 3 3 图3 1 ld d s 结构原理框图3 4 图3 1 2 正弦函数表实现的数字波形相位3 5 图3 1 3 延时失配误差o 3 6 图3 1 4 发射波束m o d e l s i m 仿真结果3 6 图3 1 5 发射角度误差曲线3 7 图4 1i e e e7 5 4 单精度浮点数的存储格式。3 8 图4 2 双通道浮点加法器3 9 图4 3 三通道浮点加法器3 9 图4 4 改进的流水线型浮点加法器结构3 9 图4 5 移位器的实现。4 l 图4 6 前导l 检测器的实现。4 2 图4 7 浮点乘法运算单元结构。4 4 图4 8b o o t h 编码实现结构4 5 图4 9 传统的4 - 2 压缩单元逻辑图4 5 图4 1 0 改进的4 2 压缩单元逻辑图4 5 图4 1 lw a l l a c e 树的压缩阵列4 6 图4 1 2 浮点加法器的静态时序报告4 7 图4 1 3 流水线级数与浮点加法器s p e e d ( m h z ) 、l u t s 、f f s 的关系4 7 图4 1 4 浮点加法器的静态时序报告4 8 图4 1 5 流水线级数与浮点乘法器s p e e d ( m h z ) 、l u t s 、f f s 的关系4 9 图5 1 回波接收示意图5 3 图5 2 接收波束形成系统结构框图5 3 i i 尊 一 奎 t l 丘 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 3 不同数据位宽的c b f 算法比较5 4 图5 4 传统f i r 设计方法5 5 图5 5h i l b e r t 变换器的f p g a 实现5 6 图5 6 常规波束形成器框图5 7 图5 7 复数乘法示意图。5 7 图5 8m a t l a b 输入波形5 8 图5 9h i l b e r t 变换器的m o d e l s i m 仿真结果。5 8 图5 1 0 常规波束形成器求模后的输出。5 9 图5 1 1c b f 算法在不同方向上输出的时间序列。5 9 图5 1 2 可利用的处理时间：6 0 图5 13 时分复用时序图6l 图6 1f f t 模块整体结构6 2 图6 2n = 8 的时间抽取f f t 流图。6 3 图6 3 乒乓r a m 示意图6 4 图6 4 芦1 2 8 的结点地址仿真图6 6 图6 5n = 1 2 8 的旋转因子存放地址仿真图6 6 图6 6 码位倒置仿真图。6 7 图6 7 基2 时间抽取f f t 蝶形运算实现结构6 7 图6 8f f t 波束形成输出取模后的波形图6 8 图7 1f i m 波束形成算法实现流程图7 0 图7 2 协方差矩阵r 示意图。7 l 图7 3 协方差矩阵元素，的收敛过程7 2 图7 4 滑动窗示意图7 2 图7 5 协方差模块示意图。7 2 图7 6 复数加法树型结构_ 7 3 图7 7f i m 波束形成输出数据取模后的波形图7 4 i x 多波束信号实时处理技术研究 表清单 表1 1 国外多波束测深系统及主要技术指标3 表1 2h h c s - 017 的主要技术指标4 表1 3h r b s s s 的主要技术指标5 表2 1 阵元为的u l a 的波束形成算法计算量比较2 0 表2 2 阵元为n n 的均匀平面阵的波束形成算法计算量比较。2 0 表3 1 推算覆盖扇面与旋转相控发射次数。3 l 表3 2 不同工作深度对应的发射次数及发射时间3 2 表3 3 资源占用量3 7 表4 1 重叠的3 位扫描b o o t h 算法工4 5 表4 2 浮点加法器性能比较5 0 表4 3 浮点乘法器性能比较5 0 表5 1 资源占用量6 0 表6 1n = - 8 的节点地址产生顺序6 5 表6 2n = 8 的旋转因子地址产生顺序6 6 表6 3n = - 8 的码位倒置的顺序6 7 表6 4 资源占用量6 9 表6 5 基于f p g a 的f f t 运算单元在不同时钟下的运算效率6 9 表7 1 资源占用量7 5 x 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 u n i f o r ml i n e a ra r r a y c o n v e n t i o n a lb e a m f o r m i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i r e c t i o no f a r r i v a l f o u r i e ri n t e g r a lm e t h o d f a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l t i m eo f a r r i v a l w e i g h t e df o u r i e ri n t e g r a lm e t h o d d i s t r i b u t e da r i t h m e t i c 等间隔线阵 常规波束形成 离散傅立叶变换 到达角度 傅立叶积分方法 快速傅立叶变换 到达时间 加权傅立叶积分方法 分布式算法 x i 卧 阱 肿 一 蹦 肿 枞 一 队 _ k 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 ， 1 1 概述 我们生活的地球表面积的四分之三是蓝色的海洋，蕴藏着极为丰富的矿产和生物资源，海 洋的广阔与浩大阻碍了人类探求的脚步。从1 5 0 年前出现的第一张海图开始，海底地形对地球 科学家们产生了不可抗拒的诱惑。大规模的海洋科学调查一次次展示了深邃的海底起伏不平的 地貌轮廓，有绵亘不断的海岭、山冈、宽广的海隆、两壁陡峭的海底峡谷、平坦的深海平原和 奇妙的平顶海山，人类在不断地扩大其赖以生存和密切关注的地理空间的视野。但是，海 洋的开发远不及人们对宇宙的探索。随着科学技术的不断发展，人们对海洋的认识才逐步得到 深化。地球人口的激增，陆上资源的匮乏，海洋的战略意义越来越重要，“海洋工程”已被列为 与生物工程、核工程和航天工程同等地位的当今世界尖端科学技术，权威人士曾预言：2 l 世纪 将是海洋世纪。 海底地形测量是一切海洋工程活动的基础。它最基本的任务【1 1 ，就是测量海水的深度，测 绘海底地形图( 水深图) 。随着人类对海洋资源和环境开发研究活动的不断加强，人们对海底地 形地貌的要求日益提高，传统的单波束测深技术由于测量效率和精度上的局限，已无法满足人 们的要求。也正是在此背景下，代表当代海洋测量高新技术发展水平的多波束测深系统应运而 生，并已在人类认识和开发海洋中扮演着越来越重要的角色。 多波束测深系统的诞生标志着海洋测深技术发生了根本性的变革。不同于单波束测深仪， 多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，这种系统自2 0 世纪7 0 年代问世以来，一 直以系统庞大、结构复杂、价格昂贵以及测量技术要求高而著称。2 0 多年来，伴随高性能计算 机技术、高分辨率显示技术、高精度定位技术和各种数字化传感器以及其他相关高新技术的迅 速发展，代表海洋地形地貌勘测最新技术的多波束测深技术不断变革，并获得了极大的发展。 以上世纪8 0 年代为起点，商业实用型多波束测深系统相继问世，各种新型的多波束系统不断涌 现，并向着小型化、多功能、高精度、高集成、综合化和标准化方向发展。 1 2 多波束测深系统的发展概况 1 2 1 多波束测深的一般原理 传统的多波束测深系统多采用的是m i l l s 交叉布阵技术。发射阵为沿船艏艉线方向安装的 条形换能器，发射信号在测量船横断面方向无明显方向性，而在艏艉方向有较尖锐方向性，除 利用发射聚集系数以增加信号强度外，更主要的是限定有效散射地区以提高测量精度。接收阵 多波束信号实时处理技术研究 则通常采用多阵元的线列阵，沿测量船横向安装，通过对各阵元接收信号的不同相位加权，在 测量船横断面方向形成若干不同主瓣方向的窄波束。由于接收基阵阵元宽度有限，它在艏艉方 向的方向性不尖锐。在进行海底地貌测量工作时，发射阵发射声脉冲，利用多波束接收阵接收 不同方向的海底反向散射回波，并根据不同方向声脉冲的往返时间，计算自测量船沿各方向至 海底的斜距，并最后换算求出相应散射点处的海深【2 】。原理如图1 1 所示。 i 0 ， 海底 图1 1 多波束测深仪原理示意图 1 2 2 平面相控阵 m i l l s 交叉阵测深是依赖于发射和接收阵在海底照射区域的交叉来获得。要达到一定的覆盖 面，所需发射功率较大，当需要覆盖面很宽时，波束展宽严重，测深精度降低。 平面相控阵的明显优点是可以得到大覆盖和窄波束【3 】【4 l 。因为根据乘积定理可以把一个平 面阵的指向性因数看成是两个线阵的乘积，这样就使得平面阵同线阵比较起来具有较高的阵增 益。而采用收发共用的平面阵可同时得到空间发射指向性增益和接收指向性增益发射时，发 射阵以很高的声源级发射声脉冲，使能量集中，而在接收时预成波束的应用可以得到相当好的 旁瓣抑制比，有利于抑制噪声，最终使接收信号的信噪比大大提高。在与交叉阵体积相同的条 件下可用较小的发射功率实现较大深度的探测。或换言之，在与交叉阵发射电功率相同的情况 下，可用较小的基阵尺寸达到相同的探测深度和覆盖，有利于多波束系统小型化的实现。 1 2 - 3 多波束测深系统国内外发展概况 2 0 世纪7 0 年代出现的多波束系统是在回声测深仪的基础上发展起来的。多波束测深系统 在与航迹垂直的平面内一次能够给出几十个甚至上百个深度，获得一条一定宽度的全覆盖水深 条带，所以它能够精确快速地测出沿航线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化， 从而比较可靠地描绘出海底地形地貌的精细特征。与单波束回声测深仪相比，多波束系统具有 测量范围大，速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点，将传统的测深技术 2 南京航空航天大学硕士学位论文 从原来的点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，使海底地形测量完成得又快 又好。这使水深测量又经历了一次革命性的变革，深刻地改变了海洋学科领域的调查研究方式。 多波束系统的研制工作起源于2 0 世纪6 0 年代美国海军研究署资助的军事研究项目网。1 9 6 2 年，美国国家海洋调查局( n o k h ) 在s u r v e y o r 号上进行了新问世的窄波束回声测深仪0 n 3 e s ) 海 上实验。第一套原始的多波束系统采用两个换能器阵列，长发射阵沿船的龙骨方向，波束发射 角2 6 6 0 x5 4 * ；接收阵列与船的龙骨垂直，产生1 6 个2 0 0 2 6 6 0 波束，接收信号来自于发射和 接收波束的交织部分，形成1 6 个2 6 6 0 x2 6 6 0 窄波束。早期系统采用垂直参考单元来确定发射 波束，并通过相邻的两个波束的内插形成横摇和纵摇稳定的窄波束，数字化后，以海底剖面的 形式显示在图形记录仪上。实验证明，n e b s 的测量精度远远高于单波束系