1、第二章 多波束勘測(cè)系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)多波束系統(tǒng)是70年代興起、80年代中、末期又得到飛速發(fā)展的一項(xiàng)全新的海底地形精密勘測(cè)技術(shù)。它是當(dāng)前興趣的焦點(diǎn)，因?yàn)樗扔袟l帶測(cè)深數(shù)據(jù)，又同時(shí)可獲取反映底質(zhì)屬性的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)(Laurent Hellequin et al.,2003)。該技術(shù)采取廣角度定向發(fā)射和多通道信息接收，獲得水下高密度具有上百個(gè)波束的條幅式海底地形數(shù)據(jù)，徹底改變了傳統(tǒng)測(cè)深技術(shù)概念，使測(cè)深原理、勘測(cè)方法、外圍設(shè)備和數(shù)據(jù)處理技術(shù)諸方面都發(fā)生了巨大變化，大大提高了海底地形勘測(cè)的精度、分辨率和工作效率，實(shí)現(xiàn)了測(cè)深技術(shù)史上的一次革命性突破（李家彪等，2000）。多波束系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)的單波束

2、回聲測(cè)深儀工作原理類似，都是根據(jù)聲波在水下往返傳播的時(shí)間與聲速的乘積得到距離，從而得到水深。不同的是單波束測(cè)深儀一般采用較寬的發(fā)射波束（8左右）向船底垂直發(fā)射，聲傳播路徑不會(huì)發(fā)生彎曲，來回的路徑最短，能量衰減很小，通過對(duì)回聲信號(hào)的幅度檢測(cè)確定信號(hào)往返傳播的時(shí)間，再根據(jù)聲波在水介質(zhì)中的平均傳播速度計(jì)算測(cè)量水深。在多波束系統(tǒng)中，換能器配置有一個(gè)或者多個(gè)換能器單元的陣列，通過控制不同單元的相位，形成多個(gè)具有不同指向角的波束，通常只發(fā)射一個(gè)波束而在接收時(shí)形成多個(gè)波束。除換能器天底波束外，外緣波束隨著入射角的增加，波束在傾斜穿過水層時(shí)會(huì)發(fā)生折射，同時(shí)由于多波束沿航跡方向采用較窄的波束角而在垂直航跡方向采

3、用較寬的覆蓋角，要獲得整個(gè)測(cè)幅上精確的水深和位置，必須要精確地知道測(cè)量區(qū)域水柱的聲速剖面和波束在發(fā)射和接收時(shí)船的姿態(tài)和船艏向。因此，多波束測(cè)深在系統(tǒng)組成和測(cè)量時(shí)比單波束測(cè)深儀要復(fù)雜得多（周興華等，1999）。2.1 多波束勘測(cè)系統(tǒng)的工作原理2.1.1 單波束的形成2.1.1.1 發(fā)射陣和波束的形成一個(gè)單波束在水中發(fā)射后，是球形等幅度傳播，所以方向上的聲能相等。這種均勻傳播稱為各向同性傳播（isotropic expansion），發(fā)射陣也叫各向同性源（isotropic source）。例如，一個(gè)小石頭扔進(jìn)池塘?xí)r就是這種情況，如圖2.7所示。圖2.7 波的各向同性傳播顯然，測(cè)深時(shí)是不能采用如此

4、的聲波的。采用發(fā)射基陣就可以產(chǎn)生各向異性的聲波。下面簡(jiǎn)要敘述它形成的原理。如果兩個(gè)相鄰的發(fā)射器發(fā)射相同的各向同性的聲信號(hào)，聲波圖將互相重疊和干涉，如圖2.8所示。兩個(gè)波峰或者兩個(gè)波谷之間的疊加會(huì)增強(qiáng)波的能量，波峰與波谷的疊加正好互相抵消，能量為零。一般地，相長(zhǎng)干涉發(fā)生在距離每個(gè)發(fā)射器相等的點(diǎn)或者整波長(zhǎng)處，而相消干涉發(fā)生在相距發(fā)射器半波長(zhǎng)或者整波長(zhǎng)加半波長(zhǎng)處。顯然，水聽器需要放置在相長(zhǎng)干涉處。圖2.8 相長(zhǎng)干涉和相消干涉（Constructive and Destructive Interference）一個(gè)典型的聲納，基陣的間距d（圖2.8中1、2點(diǎn)的距離）是/2（半波長(zhǎng)）。在這種情況下，相長(zhǎng)

5、和相消干涉發(fā)生時(shí)的點(diǎn)位處于最有利的角度（點(diǎn)位與基陣中心的連線與水平線的夾角），相長(zhǎng)干涉：= 0, 180，相消干涉：= 90, 270，如圖2.9所示。圖2.9 兩個(gè)發(fā)射器相距/2時(shí)的相長(zhǎng)和相消干涉圖2.10是兩個(gè)發(fā)射器間距/2時(shí)的波束能量圖（Beam Pattern），左邊為平面圖，右邊為三維圖，從圖上可以清楚地看到能量的分布，不同的角度有不同的能量，這就是能量的指向性（directivity）。如果一個(gè)發(fā)射陣的能量分布在狹窄的角度中，就稱該系統(tǒng)指向性高。真正的發(fā)射陣由多個(gè)發(fā)射器組成，有直線陣和圓形陣等。這里只討論離散直線陣，其它陣列類似可以推導(dǎo)出。如圖2.11所示，根據(jù)兩個(gè)發(fā)射器的基陣可以

6、推導(dǎo)出多個(gè)發(fā)射器組成的直線陣的波束圖。圖2.10 兩個(gè)發(fā)射器間距/2時(shí)的波束能量圖（Beam Pattern）圖2.11 多基元線性基陣的波束圖（Beam Pattern）圖2.11中，能量最大的波束叫主瓣，側(cè)邊的一些小瓣是旁瓣,也是相長(zhǎng)干涉的地方，引起了能量的泄漏。旁瓣還可能引起回波，對(duì)主瓣的回波產(chǎn)生干擾。旁瓣是不可避免的，可以通過加權(quán)的方法降低旁瓣的水平，但是加權(quán)后旁瓣水平值降低了，波束卻展寬了。主瓣的中心軸叫最大響應(yīng)軸（maximum response axisMRA），主瓣半功率處（相對(duì)于主瓣能量的-3db）角度的兩倍就是波束角。發(fā)射器越多，基陣越長(zhǎng)，則波束角越小，指向性就越高。設(shè)基陣

7、的長(zhǎng)度為D，則波束角= 50.6/D（2.36）可以看出，減小波長(zhǎng)或者增大基陣的長(zhǎng)度都可以提高波束的指向性。但是，基陣的長(zhǎng)度不可能無(wú)限增大，而波長(zhǎng)越小，在水中衰減得越快，所以指向性不可能無(wú)限提高。2.1.1.2 波束的指向（Beam Steering）換能器怎樣在指定的方向上發(fā)射或者接收聲波，稱為波束的指向。以水聽器接收回波為例。如圖2.12，當(dāng)回波以方向到達(dá)接收基陣時(shí)，首先在點(diǎn)3到達(dá)，其次為點(diǎn)2和點(diǎn)1，則在圖2.12 夾角為的回波點(diǎn)2的回波比點(diǎn)3多旅行了距離Ad sin q，點(diǎn)1比點(diǎn)3的回波多旅行了距離B2d sin q，相應(yīng)的增加的時(shí)間為T2=A/c =(d sin)/c （2.37）T1

8、=B/c =(2d sin)/c （2.38）計(jì)算出偏移時(shí)間后，在基陣中作相應(yīng)的調(diào)整，引入延時(shí)，使回波在基陣上正好構(gòu)成相長(zhǎng)干涉，這樣就可以使主瓣在指定的方向上，如圖2.13所示。 圖2.13 引入延時(shí)后主瓣方向的偏移 圖2.14 多波束的幾何構(gòu)成2.1.2 多波束的形成當(dāng)接收波束發(fā)射出扇形波束后，接收波束按一定的間距（等距離或者等角度）與之相交，就形成了一個(gè)個(gè)在縱橫向的窄波束腳印，如圖2.14所示。設(shè)水聽器共有N個(gè)基元，每個(gè)基元i記錄的回波Si(t)的振幅為A(t),且S(t) = A(t)cos(2pft) （2.39）寫成相位的形式為S(t) = A(t)cos(f(t) （2.40）或

9、（2.41）其中，f(t) = 2pft。多波束系統(tǒng)需測(cè)量回波S(t)和相位(t)，然后將模擬接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用率一般在13ms之間。所有基元在采樣點(diǎn)上的回波和相位值稱為時(shí)間片（time slice）。在上節(jié)中，討論了基元i相對(duì)于第一個(gè)基元的距離差，轉(zhuǎn)換為相位差為 （2.42）由（2.41）和（2.42）得 （2.43）其中為第i個(gè)基元在角方向接收時(shí)的回波，則基陣接收的回波為 （2.44）其中為加權(quán)系數(shù)。如果要求在一個(gè)時(shí)間片(time slice)里，由N個(gè)基元形成M個(gè)指定方向的波束，用矩陣表示為 （2.45）其中，為接收角的波束時(shí)的第i個(gè)基元的相位差，為。為了在如此短的時(shí)間（ms級(jí)

10、）完成計(jì)算，必須采用一些快速算法。這里，引入快速傅立葉變換(FFT)。式（2.44）類似于傅立葉變換，設(shè) （2.46）得 （2.47）由于k必須為整數(shù)，所以的取值受到一定的限制，如d、N在一定值時(shí)，同k的關(guān)系表2.1所示。表2.1 k和的對(duì)應(yīng)值K012345()02.44.87.29.612.02.1.3 多波束腳印的歸位波束腳印的歸位是多波束數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題之一。多波束測(cè)量的最終成果是得到地理坐標(biāo)系（或地方系）下的海底地形或者地物，由于多波束采用廣角度定向發(fā)射、多陣列信號(hào)接收和多個(gè)波束形成處理等技術(shù)，為了更好的確定波束的空間關(guān)系和波束腳印的空間位置，必須首先定義多波束船體參考坐標(biāo)系VFS，

11、并根據(jù)船體坐標(biāo)系同地理坐標(biāo)系LLS之間的關(guān)系，將波束腳印的船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系（或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系）和某一高程基準(zhǔn)面下的平面坐標(biāo)和高程。該過程即為波束腳印的歸位。船體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于換能器中心，x軸指向航向，z軸垂直向下，y軸指向側(cè)向，與x、z軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系原點(diǎn)為換能器中心，x軸指向地北子午線，y同x垂直指向東，z與x、y軸構(gòu)成正交坐標(biāo)系。歸位需要的參數(shù)包括船位、船姿、聲速斷面、波束到達(dá)角和往返程時(shí)間。歸位過程包括如下四個(gè)步驟：（1） 姿態(tài)改正。（2） 船體坐標(biāo)系下波束腳印位置的計(jì)算。（3） 波束腳印地理坐標(biāo)的計(jì)算。（4） 海底點(diǎn)高程的計(jì)算。為方便波束腳印在船體坐標(biāo)系下坐標(biāo)的計(jì)算

12、（聲線跟蹤），現(xiàn)作如下假設(shè)：（1） 換能器處于一個(gè)平均深度，靜、動(dòng)吃水認(rèn)為僅對(duì)深度有影響，而對(duì)平面坐標(biāo)沒有影響。（2） 認(rèn)為波束的往、返程路徑重合。（3） 對(duì)于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器的航向變化影響可以忽略。波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時(shí)間和聲速剖面。由于海水的作用，聲束在海水中不是沿直線傳播，而是在不同介質(zhì)層的界面處發(fā)生折射，因此聲束在海水中的傳播路徑為一折線。為了得到波束腳印的真實(shí)位置，就必須沿著波束的實(shí)際傳播路徑跟蹤波束，該過程即為聲線跟蹤，通過聲線跟蹤得到波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算過程被稱為聲線彎曲改正。為了計(jì)算方便，對(duì)聲速斷面作如下假設(shè)：(1) 聲

13、速斷面是精確的，無(wú)代表性誤差。(2) 聲速在波束形成的垂面內(nèi)變化，不存在側(cè)向變化。(3) 聲速在海水中的傳播特性遵循Snell法則。(4) 換能器的動(dòng)吃水引起的聲速剖面的變化對(duì)深度的計(jì)算可以忽略不計(jì)。根據(jù)上述討論和假設(shè)，波束腳印的計(jì)算模型可表達(dá)為：Snell法則可描述為： （2.48）將波束的實(shí)際傳播路徑進(jìn)行微分，則波束腳印在船體坐標(biāo)系下的點(diǎn)位(x，y，z)可表達(dá)為： （2.49）zz: 深度 R:距離 q:波束角c: 聲速 t:脈沖長(zhǎng)度ln: 中心波束腳印長(zhǎng)度ls: 邊緣波束腳印長(zhǎng)度 q0RRlnlgct/2圖2.15 單個(gè)波束腳印坐標(biāo)的計(jì)算x換能器(x0,z0)其一級(jí)近似式為： （2.50

14、）更精確的公式見2.1.3。波束腳印的船體坐標(biāo)系確定后，下一步就可以轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換關(guān)系為： （2.51）式中，下腳g、gG別代表波束腳印的地理坐標(biāo)、利用GPS確定的船體地理坐標(biāo)，R(h,r,p)為船體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，航向、橫搖和縱搖是三個(gè)歐拉角。式(2.49)確定的深度z僅為換能器面到達(dá)海底的垂直距離，測(cè)點(diǎn)的實(shí)際深度還應(yīng)該考慮換能器的靜吃水hss、動(dòng)吃水hds、船體姿態(tài)對(duì)深度的影響ha，若潮位的變化htide是相對(duì)于某一深度基準(zhǔn)面或者高程基準(zhǔn)面確定的，則波束腳印的高程為： （2.52）換能器的靜吃水在測(cè)量前或換能器安裝后被量定，作為一個(gè)常量輸入到多波束的數(shù)據(jù)處理單元中；動(dòng)吃

15、水是由于船體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，它可通過姿態(tài)傳感器中的Heaven參數(shù)確定。船體姿態(tài)對(duì)波束腳印的地理坐標(biāo)也有一定的影響，可通過姿態(tài)傳感器的橫搖r和縱搖p參數(shù)確定。上述參數(shù)的測(cè)定及其對(duì)波束腳印平面位置和深度的補(bǔ)償屬于純幾何問題，武漢大學(xué)的趙建虎博士對(duì)此有詳細(xì)的研究，本文不再贅述。2.2 多波束勘測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)2.2.1 多波束的組成多波束系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。第一部分是多波束的主系統(tǒng)，主要包括換能器陣列，收發(fā)器和數(shù)據(jù)處理、顯示和記錄單元等；第二部分是輔助系統(tǒng)，包括定位系統(tǒng)、船姿（橫搖、縱搖、起伏和船艏向）測(cè)量傳感器和測(cè)量水柱聲速剖面的聲速儀；第三部分是數(shù)據(jù)存貯和后處理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)

16、據(jù)存貯設(shè)備和繪圖儀等（周興華等，1999）。數(shù)據(jù)網(wǎng)GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作和檢測(cè)單元監(jiān)控器導(dǎo)航監(jiān)控器后處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理工作站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)繪圖儀打印機(jī)聲納影像記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖 2.1: Simrad EM950/1000 多波束聲納系統(tǒng)組成單元2.2.2 換能器的物理構(gòu)成換能器是用來作為電聲能量轉(zhuǎn)換的重要器件。通常把電能轉(zhuǎn)換成聲能的器件稱為發(fā)射換能器，把水下聲能轉(zhuǎn)換成電能的器件稱為接收換能器（或水聽器），許多主動(dòng)聲納中采用同一的換能器兼作發(fā)射和接收（秦臻，1984）。水聲換能器技術(shù)由3類組成，一是水聲換能器材料；二是水聲換能器設(shè)計(jì)；三是水聲換能器制作。水聲換能器材料

17、方面涉及材料的配置、生成及成型等3方面的技術(shù)。水聲換能器設(shè)計(jì)方面涉及性能設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等兩個(gè)方面的技術(shù)。水聲換能器制作涉及加工、安裝及檢測(cè)等3方面的技術(shù)。這3類水聲換能器技術(shù)，是獲取高性能、高質(zhì)量水聲換能器的保障。這3類水聲換能器技術(shù)的發(fā)展，直接促進(jìn)了水聲換能器的發(fā)展，影響著聲納的發(fā)展。水深換能器就其所采用的換能器材料大致可分為兩大類，一類是磁致伸縮換能器，一類是電致伸縮換能器。磁致伸縮材料包含著具有水久磁矩的原子，它們以這種方式被耦合到晶格上，使之在加磁場(chǎng)時(shí)能夠改變晶格的間距，從而相應(yīng)地改變宏觀樣品的尺寸。由于磁致伸縮力與晶格變化有關(guān)，所以這個(gè)力可以和固體材料受機(jī)械變形所產(chǎn)生的彈性力相比較。

18、磁致伸縮換能器把大的恒定磁場(chǎng)和較小的交變磁場(chǎng)疊加起來使之線性化，這種線性化的工作方式常常稱為壓磁，它最適合在聲阻抗比較高的介質(zhì)(如水)中工作（閻福旺等）。不過，這類材料在高頻工作時(shí)有著高的渦流損耗和磁致?lián)p耗，以致電聲轉(zhuǎn)換效率降低，而且工作時(shí)，還需外加極化偏置。因此，目前多數(shù)聲納換能器采用了具有良好機(jī)電性能的電致伸縮材料（秦臻，1984）。電致伸縮材料是磁致伸縮材料的電學(xué)類比，它有永久性的電矩。電矩與晶格之間這樣耦合，使之在外加電場(chǎng)時(shí)，尺寸發(fā)生變化。實(shí)際上這些極化了的材料，由于已經(jīng)線性化，因而能夠用描述壓電材料的方法描述它。石英或許是最早實(shí)際用于換能器的材料，此后，被廣泛用于實(shí)驗(yàn)工作、聲能學(xué)和超

19、聲學(xué)方面。大約在1950年前后，能夠?qū)嶋H應(yīng)用的電致伸縮材料開始出現(xiàn)，這些材料能夠做成陶瓷，在極化后有極好的壓電性質(zhì)。鈦酸鋇是這類材料中首先被廣泛使用的材料。鋯鈦酸鉛現(xiàn)在很多應(yīng)用中取代了鈦酸鋇（閻福旺等）。換能器是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換成聲能及逆過程的裝置。不管使用的多波束是哪種類型，換能器是單個(gè)的或是一個(gè)陣列，都必須要在測(cè)量的海底形成一個(gè)聲照射區(qū)（ensonified area），換能器通過發(fā)射聲脈沖并接收產(chǎn)生的回波獲得水深測(cè)量值。換能器的大小是根據(jù)波束的寬度需要來設(shè)計(jì)的。波束的寬度被定義為從天底到擴(kuò)展波面半功率點(diǎn)的角距離，半功率的量值是-3dB。如圖2-5所示W(wǎng)ells ,1996。主 瓣波束寬度旁

20、瓣旁瓣換能器圖2-5 波束寬度 每個(gè)多波束系統(tǒng)都有一個(gè)工作頻率，換能器是由多個(gè)陣元組成的陣列。整個(gè)換能器陣列的大小是根據(jù)這樣一個(gè)總的原則確定的，即波束寬度與橫跨孔徑的波長(zhǎng)成反比。反之，如果已選擇了一個(gè)需要的波長(zhǎng)，孔徑的大小就可以用這個(gè)原則來確定de Moustier, 1996。 如果： 需要的波束寬度 =2（=0.035rad ） 選擇的頻率為 F=100KHz， 聲速C=1500m/s 波長(zhǎng) =0.015m 由總的原則： 孔徑= 得到： 孔徑=0.43m很明顯波束寬度越窄，孔徑必定也越大。構(gòu)成這個(gè)孔徑的陣元之間必須以某種方式隔開，以盡可能減少光柵瓣的產(chǎn)生，這可以通過陣元間相隔波長(zhǎng)一半的距離

21、來實(shí)現(xiàn)，如果陣元間隔小于這個(gè)距離就可能看到光柵瓣。由陣元組成的換能器，理想的是陣列看起來象是一個(gè)連續(xù)的陣元。對(duì)于高頻，要求陣元之間的間距要比陣元本身小，因此陣元在橫行上要交錯(cuò)排列。旁瓣抑制通過單個(gè)陣元對(duì)整個(gè)陣列面作用的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)。EM950的換能器（見圖2-6a）是一個(gè)直徑45cm，扇形角為160的扇形圓柱體，由一個(gè)換能器完成發(fā)射和接收，它由128個(gè)壓電陶瓷條組成，每個(gè)陶瓷條由5個(gè)陣元組成，這5個(gè)陣元在前后方向上有固定的權(quán)重，在左右方向上間隔為1.25，前后方向上的波束開角為3.3，波束中心與換能器面垂直。圖2-6a EM950換能器EM3000的換能器（圖2-6b）由不同的陣列來完成接收和發(fā)

22、射。發(fā)射陣列有56個(gè)環(huán)形陣元。接收陣陣列有80個(gè)柵條，每個(gè)柵條包含有3個(gè)圓柱形陣元。接收柵條以半隨機(jī)方式交錯(cuò)排列，以使沿航跡方向的旁瓣級(jí)低于-20dB。圖2-6b EM3000換能器根據(jù)上面的討論，換能器陣列是設(shè)計(jì)發(fā)射一個(gè)沿航跡方向非常窄而垂直航跡方向?qū)挼拿}沖，垂直航跡方向的寬度取決于換能器和換能器陣元的波束圖的寬度。一個(gè)典型的多波束系統(tǒng)發(fā)射的波束寬度沿航跡方向小于3，而垂直航跡方向在天底兩側(cè)大于75。對(duì)沒有自動(dòng)縱搖穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)射的波束，接收波束的長(zhǎng)度必須至少長(zhǎng)于縱搖最大可能的變化才不致丟失數(shù)據(jù)（圖2-7），如EM3000沿航跡方向的接收波束寬度是25，Seabat8111換能器接收波束沿航跡

23、方向的波束寬度是15。在米氏交叉（Mills Cross）這樣結(jié)構(gòu)的換能器，要求接收陣列垂直于發(fā)射陣列（圖2-8）。 最大向上縱搖時(shí)聲照射區(qū) 最大向下縱搖時(shí)聲照射區(qū)要求的最小接收波束長(zhǎng)度圖2-7 接收波束的最小寬度發(fā)射陣列接收陣列沿航跡方向圖2-8 米氏交叉2.2.3 多波束的底部檢測(cè)單元一般，多波束測(cè)深系統(tǒng)的回波檢測(cè)方式有兩種，幅度檢測(cè)和相位檢測(cè)。當(dāng)入射角小時(shí)，回波幅度高，持續(xù)時(shí)間短；當(dāng)入射角變得十分大時(shí)，回波幅度低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但波束間的相位差變大，故振幅檢測(cè)對(duì)于中間波束傳播時(shí)間的檢測(cè)具有較高的精度，而對(duì)邊沿波束的檢測(cè)精度較差，而相位檢測(cè)正好相反。精密多波束測(cè)深系統(tǒng)利用相位檢測(cè)用于邊沿波束

24、檢測(cè)，振幅檢測(cè)用于中間波束檢測(cè)，由系統(tǒng)取舍。這樣，在可保證每個(gè)波束檢測(cè)精度的同時(shí)，又可保證整個(gè)波束的檢測(cè)精度一致，從而達(dá)到波束旅行時(shí)高精度測(cè)定的目的1 2。BDI（Bearing Direction Indicator方位指示）和WMT（Weighted Mean Time加權(quán)平均時(shí)間）是兩種不同的計(jì)算波束到達(dá)角和旅行時(shí)的方法。BDI試圖先定位每個(gè)波束回波的方向即到達(dá)角，然后再精確計(jì)算旅行時(shí)；而WMT先固定每個(gè)波束中心為到達(dá)角，然后再精確計(jì)算出每個(gè)回波的旅行時(shí)3 4 5。為方便后續(xù)問題的展開，下面簡(jiǎn)要介紹它們的原理。1、BDI處理方法在一個(gè)發(fā)射接收周期（ping）內(nèi)，波束形成采用的FFT處理方法中的數(shù)據(jù)可表示為矩陣的形式，設(shè)一個(gè)周期內(nèi)包含M個(gè)時(shí)間片（time slice），每個(gè)時(shí)間片分別表示為t1，t2，tM，相對(duì)的時(shí)間周期起點(diǎn)為t0。設(shè)有N個(gè)波束，每個(gè)時(shí)間片則可觀測(cè)N個(gè)幅度值，1，2，N，如圖1所示。時(shí)間片波束角回波幅度一個(gè)發(fā)射接收周期圖1