波束

波束成形技術（Beam Forming，BF）可分為自適應波束成形、固定波束和切換波束成形技術。固定波束即天線的方向圖是固定的，把IS-95中的三個120°扇區(qū)分割即為固定波束。切換波束是對固定波束的擴展，將每個120°的扇區(qū)再分為多個更小的分區(qū)，每個分區(qū)有一固定波束，當用戶在一扇區(qū)內移動時，切換波束機制可自動將波束切換到包含最強信號的分區(qū)，但切換波束機制的致命弱點是不能區(qū)分理想信號和干擾信號。

自適應波束成形器可依據用戶信號在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達方向上給予不同的天線增益，實時地形成窄波束對準用戶信號，而在其他方向盡量壓低旁瓣，采用指向性接收，從而提高系統(tǒng)的容量。由于移動站的移動性以及散射環(huán)境，基站接收到的信號的到達方向是時變的，使用自適應波束成形器可以將頻率相近但空間可分離的信號分離開，并跟蹤這些信號，調整天線陣的加權值，使天線陣的波束指向理想信號的方向。自適應波束成形的關鍵技術是如何較精確地獲得信道參數。

在天線中，波束范圍（或波束立體角）由主瓣范圍（或立體角）加上副瓣范圍（或立體角）所構成，（主）波束效率就是（主）波束輻射（或接收）的功率與（總）波束輻射（或接收）的總功率之比。參照反射面天線主波束效率估計的簡易計算公式,對"神舟四號"(SZ-4)飛船輻射計天線的主波束效率進行了具體估算,給出了計算流程和計算結果。

參照反射面天線主波束效率估計的簡易計算公式,對"神舟四號"(SZ-4)飛船輻射計天線的主波束效率進行了具體估算,給出了計算流程和計算結果.計算表明,該輻射計天線在6.6GHz,19.35GHz,23.8GHz和37GHz4個頻段上的波束效率分別為89%,91.24%,92.91%和94.87%,并經過了在軌飛行驗證.

多波束測深系統(tǒng)已經成為海洋測量的主要設備之一。為了確保多波束測量的高精度、高效率等優(yōu)點，在測量過程中就必須嚴格消除系統(tǒng)內部誤差和各項外部影響因素。多波束系統(tǒng)的參數校正就是為消除系統(tǒng)內部誤差而引入的誤差改正的基本方法。波束角偏差是多波束系統(tǒng)內部誤差，它是由于換能器基陣基元之間的物理相位與間距誤差綜合導致的，對整個聲納系統(tǒng)的水深測量與定位精度都有著重要的影響。但在通常的參數校正中，作業(yè)人員一般只進行多波束系統(tǒng)換能器橫向偏差、縱向偏差以及定位系統(tǒng)的時間延遲、羅經艏向偏差的校正，很少關注波束角偏差的校正。然而波束角偏差是影響多波束系統(tǒng)測量精度的主要因素之一，嚴重時導致勘測數據出現(xiàn)沿測線方向的條帶狀偽地形，測量實時監(jiān)控窗上出現(xiàn)很明顯的凸凹偽地形。SIMRAD公司為EM系列多波束系統(tǒng)配置的Calibrate多參數校準軟件對波束角偏差的校正十分有效。

波束角波束角偏差產生的原因

多波束系統(tǒng)聲基陣誤差主要包括基元物理相位誤差和基元之間的間隔誤差。可以通過調節(jié)接收機放大電路的相位補償來實現(xiàn)物理相位誤差的校正，但直接測量基元間隔誤差就比較困難。物理相位誤差和基元間隔誤差使多波束系統(tǒng)設計波束角與實際形成波束角之間存在一個偏差，即波束角偏差。

多波束系統(tǒng)的換能器接收基陣由多個并列的接收水聽器基元組成。一般情況下，設換能器接收基陣是由x個基元組成，相鄰之間的距離為d_i，誤差為Δd_i，換能器上第i號基元相對于第0號基元中心的距離為S(d_i)。

波束角波束角偏差對測量精度的影響

在多波束聲學投射平面內，當接收聲波的波束角存在偏差Δθ時，根據垂直參考系下的波束角和旅行時間計算測點的水深H和橫向中心距離X，可得到：

（1）波束角偏差對定位精度的影響

由式可以看出，多波束系統(tǒng)波束角偏差直接影響著波束形成的實際位置，對多波束系統(tǒng)測量定位精度的影響是最直接的。

表1為水深100 m時，不同波束角在不同波束角偏差情況下對水深點橫向距離的影響；圖5為水深100 m，波束角偏差為0.2°時，不同波束角測量水深點橫向距離的影響。由表1和圖5看出，如果多波束系統(tǒng)波束角偏差為0.2°，在波束角60°時，引起的波束橫向距離誤差為1.4 m，只這一項就占IHOS－44標準中一級精度指標的70%，而波束角60°以外的波束引起的橫向偏移就更大。

（2）波束角偏差對水深數據精度的影響

由式可以看出，多波束系統(tǒng)波束角偏差直接影響著測量的水深數據，引起測量海底的偽地形。當波束角存在偏差時，在海底平坦海區(qū)測量時，多波束系統(tǒng)的監(jiān)控窗口顯示的測量海底地形與聲速剖面存在誤差時顯示的測量地形相似，會出現(xiàn)凹或凸的偽地形，但波束角存在偏差時監(jiān)控窗口顯示的測量地形外側彎曲較嚴重，在波束角60°以內測量的地形較平坦，變形很??；波束角60°以外測量的地形變形嚴重，出現(xiàn)向下彎或向上翹的偽地形。當波束角偏差為負值時，邊緣波束測量的水深值比中心波束測量的水深值大，出現(xiàn)凸的偽地形；波束角偏差值為正時，邊緣波束的測量的水深值比中心波束測量的水深值小，出現(xiàn)凹的偽地形。在水深約為42 m的平坦海區(qū)，使用波束角偏差為0.72°的多波束系統(tǒng)，覆蓋角150°，與雙頻測深儀單通道測量的水深數據比較，見表2。從表中看出，多波束中心波束測量的水深值與雙頻測深儀測量的水深值相差不大，而與波束角75°附近的波束測量水深值差都大于2 m，邊緣波束測量的水深誤差都大于IHOS－44規(guī)定的1%水深的精度標準?？梢姴ㄊ瞧顚吘壊ㄊ绊懯呛艽蟮?，而對中心波束附近的波束影響較小。

波束角借用橫向參數校準軟件對波束角偏差進行校正

波束角偏差可以借用換能器橫向參數校準軟件進行校正。但由于聲速剖面數據誤差、換能器橫向偏差及波束角偏差都會引起測量的海底地形發(fā)生凹或凸的偽地形，所以在進行波束角偏差校正前，首先進行橫向偏差校正。當換能器橫向偏差校正好后，在一定水深的平坦海區(qū)(水深按照多波束系統(tǒng)測深要求選擇)，選擇在南北、東西方向上布兩條互相垂直的測線，線長不少于2 km，見圖6。首先在兩條測線交叉點附近用聲速儀測量海水的聲速剖面數據，并把測量的數據輸入到系統(tǒng)工作站，然后勻速沿布設的兩條垂直測線測量至少兩次。圖7為測量的兩條垂直測線的立體圖，從凹形偽地形看出該多波束系統(tǒng)存在較大的波束角偏差。

測量結束后，進入系統(tǒng)數據處理工作站，打開Calibrate參數校正軟件，在垂直的兩條測線上選擇兩條具有一定寬度的校正線，見圖6。在橫向偏差校正窗將1號校正線放在圖6中①②③的位置來比較兩條測線的水深數據。圖4中藍色且水平的數據是1號校正線的數據(即測線1中心波束附近的數據，受波束角偏差影響較小)；紅色且呈凹形形狀的數據是測線2在①②③處的幾個波束的數據，該數據受波束角偏差影響較大。由于受波束角偏差影響，兩組數據沒有重合在一起。這時可以調整校正窗口左側的滑動條，使兩組數據的中心波束數據重合在一起，見圖9，這時滑動條上面顯示的角度就是波束角偏差值。

重復上面的工作，再將1號校正線放在⑦⑧⑨，2號校正線放在①④⑦、③⑥⑨處，分別得到一個偏差值，取四個偏差值的平均數，就得到波束角的偏差值，把波束角偏差值輸入系統(tǒng)工作站，在實際測量中就可實時進行數據的改正。為了印證波束角偏差校正的效果，可以在十字測線上再重新測兩個來回，再按上面操作的步驟檢查，如果校正線上的數據與邊緣波束上的數據重合的比較好，說明偏差得到了校正，否則需要再重新校正。

波束角研究結論

波束角偏差是影響多波束系統(tǒng)測量精度的主要因素之一，它不但影響測量水深數據的精度，還會影響水深點的定位精度，特別是對波束角60°以外的邊緣波束影響很大，嚴重時會導致測量的海底地形呈現(xiàn)凸或凹的偽地形。因此在多波束系統(tǒng)測量作業(yè)前，在進行傳統(tǒng)參數校正項目的基礎上，最好進行波束角偏差的校正。波束角偏差校正方法很多，借用SIMRAD公司為EM系列多波束系統(tǒng)配置的Calibrate多參數校準軟件對波束角偏差進行校正，效果十分有效，大大提高了測量數據的精度。 2100433B