4清华星载多波束技术解析
星载激光测距仪全波形测距技术
星载激光测距仪全波形测距技术论文：星载激光测距仪全波形测距技术概述：随着航空航天领域的不断发展，高精度测距技术在导航、通信、遥感等领域中得到了广泛应用。
其中，激光测距技术因其高精度、高速度、无干扰等优点被广泛关注。
本文重点介绍了星载激光测距仪的全波形测距技术，分析了其原理及优势，并对其在实际应用中的一些问题进行了探讨。
一、星载激光测距仪全波形测距技术原理星载激光测距仪以卫星为平台，利用高功率的激光器发射穿透大气层的激光束，然后接收回传的时间差信号，通过计算出时间差来得出待测物体的距离。
所谓全波形测距技术，是相对于传统的单次测距而言的。
传统的激光测距仪仅仅是记录第一个反射点的时间差，而全波形测距则是对整个激光脉冲进行记录和分析，包括直接反射、多次反射以及散射等信息。
因此，全波形测距技术能够提供更多的信息，从而能够获得更精确的距离数据。
二、星载激光测距仪全波形测距技术的优势1. 高精度：全波形测距技术能够记录从激光器发射到回传及经过多次反射等回传过程中的所有时间信息，能够提供更精确的距离数据；2. 无干扰：由于激光测距技术是通过光学方式进行测量的，因此不会受到电磁干扰等因素的影响，从而保证了高度的测量精度；3. 高速度：激光传播速度非常快，因此响应速度很快，能够更快地进行数据采集；4. 多元信息：全波形测距技术能够提供多种信息，除了距离测量外还能够获得散射率、透过率等信息，能够提供更大的数据量，为后续数据处理带来更多可能。
三、星载激光测距仪全波形测距技术的应用星载激光测距仪全波形测距技术在导航、地图、地形建模、森林管理、海洋观测等领域得到了广泛的应用。
例如，在森林管理中，全波形测距技术能够提供更为精确的树高、枝干密度等数据，从而帮助森林管理者更好地进行森林资源的管理。
在海洋观测领域，全波形测距技术能够提供更为准确的水深、水底地形等信息。
四、星载激光测距仪全波形测距技术存在的问题1. 复杂度：全波形测距技术需要对整个激光脉冲进行记录和分析，因此其数据处理复杂度较高，需要大量的计算资源和时间；2. 气象因素：由于星载激光测距仪的工作环境复杂，受到气象因素等因素的干扰较大，因此需要对环境因素进行处理和校正；3. 成本问题：全波形测距技术相比于传统的单次测距技术较为复杂，因此其成本较高，需要在技术和经济上进行评估。
多波束测深原理
多波束测深原理多波束测深是一种用于测量水深的技术，它通过利用声波在水中的传播特性来实现对水深的精确测量。
多波束测深技术在海洋勘测、海底地形测绘、港口建设等领域具有广泛的应用，其原理和工作方式对于了解海洋地质、保障航行安全等方面具有重要意义。
多波束测深技术的原理主要基于声波在水中传播的特性。
声波在水中的传播速度是已知的，因此可以利用声波发射器向水下发送声波信号，然后通过接收器接收回波信号。
根据声波信号的发射和接收时间差，可以计算出声波在水中传播的时间，从而得出水深的数据。
在多波束测深技术中，声波发射器会向水下发送多个声波信号，每个声波信号的发射方向都不同。
当这些声波信号在水中传播并被水底或水面反射回来时，接收器会接收到多个回波信号。
通过分析这些回波信号的时间差和强度，可以得出水下地形的详细信息，包括水深、水底地形等。
多波束测深技术的优势在于其能够实现对水下地形的高精度测量。
通过同时发送多个声波信号，可以在较短的时间内获取大量的回波数据，从而实现对水下地形的高分辨率测量。
此外，多波束测深技术还可以实现对水下地形的全方位覆盖，能够获取到更加全面的水下地形信息。
除了在海洋勘测和海底地形测绘中的应用，多波束测深技术还被广泛应用于航行安全领域。
航行中的船只需要准确了解水下地形，以避免潜在的障碍物和危险区域。
多波束测深技术可以为船只提供准确的水深信息，帮助船只安全航行。
总的来说，多波束测深技术通过利用声波在水中的传播特性，实现了对水下地形的高精度测量。
它在海洋勘测、海底地形测绘、港口建设以及航行安全等领域具有重要的应用价值，为海洋工程和航行安全提供了重要的技术支持。
随着科技的不断进步，相信多波束测深技术在未来会有更加广阔的应用前景。
星载多波束SAR特性分析
３ ． ２ 多波束重构方法
实 际情况 下 ，星载多通道 回波通常 为非均匀排列 ，此时多通道 回
波综合不 能直接排 列完成 ，需要进 行多通道非 均匀重构 ４ ］ ｏ 目前 多
４ ６科 技 信 息
坫 ∞
通道 非均匀重构主要 采用频 谱重 构法 。先 把各接 收通道 回波形 成模糊 频谱后，通过 加权 滤波，获取各频谱周期 的不模糊信号 ，再经过多 周
样提高 Ｎ倍 。
ｋ Ｐ Ｒ Ｉ － ｔ
Ｉ
时，
＝
Ｐ １ ｒｌ
排 列 的 示意 图如 图 ３所示 ，形 成 １ 个冗余通道 。
ＰＲＴ２
Ｉ
Ｉ
ＰＲ１ 、 Ｉ ＇ ｉ
Ｐ Ｒ ｝ ’
‘ ｌ 复㈣ 蕊ｌ — — — — ． Ｈ ＿ — ． ＿ ＿ ． — ． ＿ — 一 嘲 罐 — 一
逗替 ｛ 戋
ｊ
轨道高度
５ ０ ０ ｋ ｍ
Ｉ
卫星速度
天线方位尺寸 通道数
系统 Ｐ ＲＦ
６ ８ ５ ０ ｒ ｒ Ｉ ／ ｓ
８ ｍ ５
１ ７ ０ ０ ＨＺ
／ ＼
｜
， 一
盎
一
ｉ
Ｉ
中心频率
５ ． ６ ＧＨＺ
１ 所示 （ 五波束 情况图 中黑 点代表天线等 效相位 中心 ） ， 此 时多通道
回波综 合只需将各接收通道回波脉冲沿飞行方 向顺序排列 即可 。
此 时出现 ｎ个 冗余通道 。
由于冗余通道 的信 息不 能被利用 ，造成系统设备 的浪费。 因此并
非系统所选 Ｐ Ｒ Ｆ 值尸Ｒ ＾
大越好 ， ＰＲ
的取值 （ 非均匀度 ）
多波束介绍
Sonic 2024/2022系统组成
GPS
1PPS+ ZDA
GGA
网线
接线盒
PDS2000
数据采集 计算机
3/1/2021
2024 换能器
OCTANS 罗经和运动传 感器
声速剖面 仪
7
1、多波束测深仪
• 干端部件包括接线盒
和、数据采集计算机。
• 湿端是一个便携式的
换能器探头。
逆向转 -
无旋转
正向转 +
光纤罗经原理
Z
Y X
OCTANS 光纤罗经及运动传感器
OCTANS 集罗经、运动传感器于一体，可以提供载 体真方位角、纵横摇角度、升沉量等有关信息，是当 今世界上唯一采用光纤陀螺技术、能同时提供真北方 位和运动姿态的固态罗经运动传感器
4、直读式声速剖面仪
AML SVPlus
声速剖面及声速改正
θ1 C1
α11
α21 C2
θ2
声波在声速变化界面发 生折射
C1 C2 Cos(α1) Cos(α2)
Bottom
Bottom after correction
5、多波束数据采集软件
6、多波束数据后处理软件 CARIS HIPS
多波束应用
2024 测得的水下码头柱子
2024 用于场地清除调查
– 把探头放在水中，系 统就可以测量、显示 并输出海底地形，包 括量程范围内的目标 数据。
多波束测深仪是如何工作的？
• 多波束测深仪发射换能器发出一个
声脉冲，在水中传播并被海底或行 进中遇到的其他物体所反射。
• 反射信号同时被探头内数百个独立
的声学基元接收。
多波束总结
多波束总结简介多波束是一种信号处理技术，用于通过同时使用多个接收装置或发射器，提高通信系统的性能。
它被广泛应用于雷达、声纳、卫星通信和移动通信等领域。
本文将对多波束技术进行总结，包括其原理、应用和优势。
原理多波束技术利用多个接收器或发射器来接收或发送信号。
每个接收器或发射器被称为一个波束，可以独立地定向和控制。
通过对每个波束进行独立的信号处理和分析，可以提高通信系统的性能。
多波束的工作原理可以分为两个主要步骤：1.波束形成：在发射端，可以使用多个发射器同时发送信号。
这些信号经过特定的相位控制，形成多个波束，每个波束定向到不同的方向。
在接收端，利用多个接收器接收到的信号进行波束形成，通过信号处理和加权，可以提高信号的接收效果。
波束形成的目标是最大化接收到的信号功率和最小化噪声。
2.波束跟踪：在接收端，根据接收到的信号，通过信号处理算法来跟踪每个波束的方向。
根据波束的方向信息，可以对接收到的信号进行定向增强和干扰抑制。
波束跟踪的目标是始终保持波束的指向性，以提供更好的信号质量和抗干扰能力。
应用多波束技术在许多领域中得到了广泛的应用，下面列举了其中几个重要的应用：雷达在雷达系统中，多波束技术可以用于提高目标检测和跟踪的性能。
通过使用多个发射器和接收器，可以同时监测多个方向上的目标，并提供更准确的目标位置和速度信息。
多波束技术还可以提高雷达系统的抗干扰性能，减少误报和误判。
声纳在声纳系统中，多波束技术可以提高水下目标检测和定位的性能。
通过利用多个发射器和接收器，可以实现对多个方向的声纳信号的接收和处理。
多波束技术可以提高声纳系统对目标的探测距离和分辨率，提高目标识别和定位的精度。
卫星通信在卫星通信系统中，多波束技术可以提高信号的覆盖范围和容量。
通过使用多个波束，可以同时指向不同的地面站或用户，提高信号传输的效率和可靠性。
多波束技术还可以提高系统对天气和干扰的抗性，保证通信质量的稳定性。
移动通信在移动通信系统中，多波束技术可以提高信号覆盖和容量。
多波束勘测原理与技术
多波束勘测原理与技术多波束勘测原理是利用多个声波发射器（即多个波束）同时发射声波信号，通过接收器接收反射回来的声波信号，从而获取地下或水下区域的地质、地貌等信息的一种勘测方法。
多波束勘测技术是在多波束勘测原理基础上发展起来的具体操作技术。
它主要包括以下几个方面的技术：1. 多波束发射技术：利用多个声波发射器同时发射声波信号，可以提高勘测的覆盖范围和分辨率。
2. 多波束接收技术：利用多个接收器接收反射回来的声波信号，可以提高勘测的接收灵敏度和准确性。
3. 多波束数据处理技术：对接收到的多个波束数据进行处理和分析，可以提取出地下或水下区域的地质、地貌等信息。
4. 多波束成像技术：利用多个波束同时扫描并探测地下或水下区域，可以实现三维立体的成像效果，提高勘测的图像质量。
多波束勘测原理和技术在海洋勘测、地质勘探等领域有广泛应用，可以提高勘测的效率和准确性，为相关领域的研究和应用提供重要支持。
多波束勘测原理与技术的应用领域包括但不限于以下几个方面：1. 海洋勘测：多波束勘测可以用于海底地形测量、海洋地质结构研究、水深测量等海洋勘测应用。
通过多波束勘测可以获取更精确的海底地形数据，帮助海洋工程、海洋地质等领域的研究和工作。
2. 地质勘探：多波束勘测可以用于地下矿产资源勘探、地下水资源勘探等地质勘探应用。
通过多波束勘测可以获取地下地质结构信息，为矿产资源勘探和地下水资源管理提供基础数据。
3. 水下工程：多波束勘测可以用于水下工程勘测和海洋工程设计。
通过多波束勘测可以获取水下地形、水深等信息，为水下工程设计和建设提供重要依据。
4. 海洋生态学：多波束勘测可以用于海洋生物学、海洋生态学研究。
通过多波束勘测可以获取海底生态系统的分布和结构信息，帮助科学家了解海洋生态环境并保护海洋生态系统。
5. 水下考古：多波束勘测可以用于水下考古研究。
通过多波束勘测可以探测和识别水底的遗迹、古文化遗址等重要文物，帮助保护和研究人类历史文化。
多波束天线的关键技术研究
多波束天线的关键技术研究多波束天线是一种先进的通信技术，可以实现在同一时间、同一频段传输多个不同方向的信号。
它在无线通信、雷达、卫星通信等领域有着广泛的应用。
本文将重点研究多波束天线的关键技术，包括天线设计、波束形成算法、多波束信号处理等方面。
多波束天线的首要问题是天线设计。
由于需要同时放射和接收多个波束，传统的单波束天线显然不适用。
因此，设计出具有多个辐射元件或阵元的天线是关键。
通常，多波束天线采用线性阵列或蜂窝状阵列的结构，每个阵元可以独立调节辐射方向和辐射功率。
同时，还需要考虑天线的频率响应、增益、方向性、抗干扰能力等指标的综合优化。
在天线设计的基础上，需要开发有效的波束形成算法。
波束形成是将天线阵列的辐射功率尽可能聚焦到感兴趣的区域，从而提高信号的接收和发送效率。
常见的波束形成算法有波束赋形、最大似然波束形成、Min-Norm波束形成等。
这些算法基于阵列几何和信号模型，利用信号处理方法进行波束权值计算，最终实现波束的形成与控制。
多波束信号处理也是多波束天线的关键技术之一。
在接收端，由于同时接收多个波束信号，需要进行信号的分离和解调。
常用的信号分离方法包括空间滤波、信号特征提取、自适应干扰抑制等。
这些方法通过利用波束形成得到的权值矩阵，将目标信号从干扰信号中分离出来。
同时，在发送端也需要对不同波束进行动态调度和编码，以实现对多用户的分时、分频资源的分配。
此外，多波束天线的关键技术还包括射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。
射频芯片设计是多波束天线的基础，需要满足天线的高频率、宽带、低功耗等要求；天线校准与自适应技术可以提高系统的稳定性和抗干扰能力；多波束天线系统集成包括硬件设计、软件开发和验证测试等环节，是实现系统全面性能的保证。
综上所述，多波束天线的关键技术涉及到天线设计、波束形成算法、多波束信号处理、射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。
这些技术的研究和发展将推动无线通信技术的进步，为人们提供更高质量、更可靠的通信服务。
多波束探测原理
多波束探测原理多波束探测是一种通过同时发射和接收多个波束来实现目标探测与定位的技术。
它在雷达、声纳等领域得到了广泛的应用。
多波束探测原理的核心是利用多个波束同时发射和接收信号。
每个波束都有自己的发射和接收系统，相互之间独立工作。
通过合理设计和控制波束的数量、方向和角度，可以实现对目标的全方位探测和定位。
多波束探测的优势主要体现在以下几个方面：1.增加目标探测概率：多波束探测可以同时覆盖更大的区域，增加目标被探测到的概率。
通过将多个波束分别指向不同的方向，可以实现全方位的目标搜索和探测。
2.提高目标定位精度：多波束探测可以通过多个波束的合理组合，提高对目标位置的精确度。
通过测量不同波束接收到的信号的时间差、幅度差等信息，可以对目标的位置进行更准确的定位。
3.抗干扰性能强：多波束探测可以通过多个波束的相互比较和综合，提高系统的抗干扰性能。
通过将多个波束的接收信号进行比对，可以有效地抑制噪声和干扰信号，提高目标信号的检测和辨认能力。
4.增加系统容量：多波束探测可以同时处理多个目标的信号，增加系统的处理能力和容量。
通过将多个波束的接收信号进行分析和处理，可以实现对多个目标的同时跟踪和识别。
多波束探测的实现主要依赖于以下技术：1.波束形成：通过合理设计天线阵列的结构和参数，可以实现对波束的形成和控制。
常见的波束形成技术包括相控阵、自适应波束形成等。
2.目标检测与定位算法：通过对多个波束接收到的信号进行分析和处理，可以实现对目标的检测和定位。
常见的算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波等。
3.信号处理与数据融合：通过对多个波束接收到的信号进行处理和分析，可以提取目标的特征信息。
同时，通过对多个波束接收到的信号进行融合，可以提高目标信号的检测和辨认能力。
多波束探测技术在军事、民用等领域都有广泛的应用。
在军事领域，多波束探测可以用于目标搜索、跟踪、识别等任务，提高战场感知能力和作战效能。
在民用领域，多波束探测可以用于民航雷达、海洋声纳等领域，提高航空、海洋等领域的安全性和效率。
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清华大学 中国空间技术研究院 通信卫星事业部
2010年8月25日，北京
提纲 星上单馈源对应单波束形成多波束技术 星上数字/模拟波束形成技术 地基波束形成技术 总结与展望
清华大学 王京
1. 单馈源对应单波束形成
每个馈源放置在天线的焦点上
直接经由天线反射面辐射形成单波束 多个馈源（阵）放置在天线的不同焦点上构成多波束
大型反射面及馈源阵列在轨展开技术； 紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计； 馈源阵列排布优化技术； 降低馈源间互耦效应的相关技术； 通过极化正交和降低旁瓣电平增加频率复用技术； 按需调整波束覆盖区在轨重构技术。
清华大学 王京
2. 星上数字/模拟波束形成技术
对多馈源信号分别进行移相加权在轨合成多个波束
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清华大学 王京
3. 地基波束形成技术（GBBF）
Hale Waihona Puke 用场景 星上信道化、透明转发
通过地面关口站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖
优点
简提化供了了三波卫束星、有形效成地载的荷灵基活的波性设计束复杂形度 成技术
降低风险
缺点
无法支持单跳业务
清华大学 王京
3.1 地基波束形成技术发展现状
权值
形成示例
清华大学 王京
2. 星上数字/模拟波束形成技术
优点
可形成更多的波束 提高通信容量 提高EIRP和G/T值 可灵活调整
缺点：
波束形成网络（BFN）复杂 技术难度较高
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清华大学 王京
2.1 星上波束形成技术发展现状
模拟波束形成
Globalstar
星载天线口径18.28米
产生500多个点波束
可以覆盖美国大陆50个州，加拿大，阿拉斯加，夏威夷，波多黎各和美国的
• 星上波束成形网络可形成多个可移动和可控形状的点波束
• 可进行固定、移动和多媒体通信及卫星定位等试验
清华大学 王京
2.1 星上波束形成技术发展现状
数字波束形成（DBF）
相比于模拟技术的优点：不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编
程、精度高
Thurary系统
• 3颗GEO卫星由波音公司制造
射。卫星由劳拉公司研制，采用LS-1300平台。ICO G1卫星是
首颗采用GBBF技术的在轨卫星，可以构成250个发送及250个接
收的S频段波束。
TerreStar-1
劳拉公司制造，2009年7月1日发射
用于北美地区的移动通信
第一次采用双向GBBF系统（two way GBBF）
基于地面校准和波束形成
• GEO卫星，洛克马丁公司制造
– Garuda-1（2000.2.12），计划中的Garuda-2被取消
• 两副88馈源阵12米口径天线
• 140个通信点波束和8个可控点波束
Inmarsat-4
• 3颗GEO卫星，由EADS Astrium公司制造
ACeS
• 9米口径星载天线，120个馈源
• 1个全球波束，19个宽点波束，228个窄点波束
清华大学 王京
2.2 星上波束形成关键技术
模拟波束形成关键技术
多通道幅相校准技术 • 各通道相位及幅度误差校准
高可靠、小型化技术 • MMIC（单片微波集成电路技术）
抗辐照、易老化和漂移
数字波束形成关键技术
数字波束形成ASIC实现技术 • FPGA向专用芯片技术转化
波束在轨校准技术 • 校准各波束指向精度
卫星由洛马公司研制 1副多波束天线由9个单馈源形成的固定点波束，覆盖日本国内 1副多波束天线由10个单馈源形成固定点波束，覆盖东南亚及周边地区
Ka-Sat，预计2010.11-2011.1之间发射
EADS Astrium公司研制，82个单馈源形成的Ka点波束
清华大学 王京
1.2 单馈源单波束形成多波束的关键技术
宽带卫星通信系统中应用广泛 优点：最简单最直接
多用于星上资源相对紧张的情况 避免复杂的波束形成网络 避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准
缺点
难以形成大规模的波束数目 远离焦点的馈源对反射面照射效率较低
清华大学 王京
1.1 单馈源单波束发展现状
Anik-F2，2004.7.18发射
模拟或者数字处理
不同的天线技术
多波束反射面天线
• 多在静止轨道大型通信卫星上采用
多波束直接辐射阵列(或称多波束相控阵天线)
• 多在中低轨道通信卫星上采用
多波束透镜天线
• 由于比反射面天线复杂，目前主要用于地面
馈源 阵
下变频
A/D
数字加权合 并
D/A
至馈电 合路
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接收数字波束
ETS-VIII卫星
• 直接辐射平面阵列结构有源相控阵天线
• 91个发射/61个接收辐射单元，形成16个波束
日本ETS-VIII（kiku-8）
• 2006.12.18发射
• 收发各一面19.2m×16.7m天线，等效孔径13m
• 每副天线由14 个独立的、呈正六边形的模块组成
• 采用MMIC形成多波束，31个固态功放，31个低噪声放大器
美国波音公司研制，45个单馈源形成的Ka点波束
Wildblue-1，2006.12.8发射
劳拉公司研制，35个单馈源形成的Ka点波束
IPSTAR，2005.8.11发射
劳拉公司研制 Ku频段84个单馈源形成的点波束 Ka频段18个单馈源形成的点波束
WINDS，2008.2.23发射
TDRS：美国用于跟踪包括航天飞机在内的地球轨道飞行器并将
数据传回地球的中继卫星系统，其S频段载荷最早应用了类地
基 波 束 形 成 技 术 ， 用 于 多 址 星 间 链 路 ， 该 技 术 称 为 Adaptive
Ground Implemented Phased Array（AGIPA）。
ICO G1：北美首颗S频段移动多媒体广播卫星，于2008年4月发
– Thurary-1（2000.10.20） – Thurary-2（2003.6.10） – Thurary-3（2008.1.15）
• 采用先进的数字波束形成技术
• 星载天线12.25m×16m，128个馈源
Thuraya
• 产生250～300个在轨可重定向点波束
ACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）