多波束声呐（Multibeam Sonar，当用于成像时，习惯上将多波束测深系统称为多波束声呐）不仅可通过测得的水深绘制高分辨率的海底地形图，还可利用海底反向散射强度绘制海底声呐图像，其在分析和解释海底地貌中扮演着十分重要的角色，可利用其反演海底底质特性，探测和识别水下目标，如鱼群行为定性描述、船只的避障、海底目标探测等（Hughes Clarke，2006）。目前，多波束海底成像有以下几种方法：

1.平均声强方式

每个接收的窄波束只取一个声强值或平均声强值，这种方式获取的声强个数与水深个数相同。

2.伪侧扫成像方式

多波束形成独立于测深的两个额外的宽波束，对宽波束覆盖扇面内的幅度时间序列采样，称为伪侧扫成像（Pseudo-sidescan Imagery）（刘晓，2012）。

多波束与侧扫声呐均能获得回波的反向散射强度，从而形成海底声学图像，从这点来说，两者具有较大的相似性，但从图像变形大小和分辨率高低来说，它们又有较大的不同。侧扫声呐通过海底声学反向散射和海底类型的角度关系，采用幅度调制原理实现。它的发射和接收采用相同的换能器，而多波束的接收阵列和发射阵列是分开的；侧扫声呐产生一个在航向上较窄的波束，如果拖曳体是稳定的且接收波束是受控的，侧扫声呐的接收波束与声照射区的脚印应完全吻合；多波束接收波束沿航向并不全在声照射区内，导致了分辨率的下降。另一个明显的不同是侧扫声呐的拖曳体和多波束阵列的相对位置。侧扫声呐采用拖曳式时，其换能器阵列是靠近海底的，这样入射角大，使物体投射产生较大的阴影，因此侧扫声呐比多波束系统更易于物体的识别；而多波束换能器通常与船固定安装，换能器距海底较高，使得声呐图像变形较小，但也引起分辨率的降低。

3.片段法（snippet）

对每个接收到的窄波束都进行幅度-时间序列采样，得到多个强度值，具有较高的分辨率。

回波强度采样时，测量对象仍是海底的波束脚印。对于深度测量，探测的仅是代表波束脚印中心处的平均往返时间或相位的变化，是一个波束在声传播区内到海底的平均斜距；而对于声呐图像，探测的是一个反向散射强度的时序观测量，每一个时序观测量相对波束脚印要小得多，单位时间内，时序采样的个数是测深采样的几倍或十几倍（视声呐图像的分辨率而定）。每个时序采样仍然是球形面的发射波束模式与环形面的接收波束模式在[t，t+dt]（对于连续波CW，dt为脉冲宽度）时间段内形成的交界面，其工作原理如图7-7（多波束技术组，1999）所示。

图7-7　单个波束脚印内的声呐图像时序采样原理图（多波束技术组，1999）

多波束每完成一次测量，便在扇面与海底的交线上形成一组回波强度时序观测量，经过多次测量，可获得测区内不同位置的回波强度。为了绘制声呐图像，声强必须从时间序列转化为横向距离序列，并将一条测线上的多次测量值合成，绘制成表示这条测线声反向散射强度变化的图，也就是声呐图像，还必须完成声线斜距改正和图像镶嵌两项工作。多波束在测定回波强度的同时，也获得了波束的往返时间和到达角，利用声线改正，容易进行波束的斜距改正，再进行内插即可获得每个波束内的时序采样点的横向水平距离和深度。图7-8显示了侧扫声呐和多波束回波强度采样的对比图。

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图7-8　多波束与侧扫声呐波束脚印信号强度和时间取样的组合图（多波束技术组，1999）

多波束片段法与前两种方法相比，避免了声强数据与测深数据的融合问题，能同时获得高信噪比与高分辨率的声呐图像，因此应用更为广泛。每个波束内除主轴方向外其他强度样本的空间位置是通过假设波束内为平坦海底情况下内插得到的，而这种不准确的假设可能使得强度数据与其空间位置数据不能准确融合，在地形复杂变化下更为明显，如图7-9所示（刘晓，2012）。

图7-9　复杂海底多波束成像水平位置估计原理图

4.相干成像方式

类似于相干多波束测深原理，对每个接收的窄波束输出信号进行采样、相干处理，估计各个海底检测点的到达角，从而得到空间位置和回波强度，并根据实际水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正，得到具有良好空间分辨率的海底图像。最终获得的海底声图像的分辨率必然要高于前几种方法。集水深测量和高分辨率成像两种技术于一体的测深侧扫声呐就是基于该方法设计而成的。

5.多波束SAS逐点成像法

这种方法基于多波束测深和合成孔径声呐（SAS）技术原理，在每一个航向位置向海底发射信号，声呐接收侧向距离方向上经处理后的回波信号，对每一个波束输出信号进行合成孔径处理后可得到航向上具有高分辨率的波束，并可得到更多的目标信息以及更好效果的海底图像（姚永红，2011）。

6.快拍法（snapshots）

该方法沿着每个窄波束记录完整的波束输出信号，包括幅度和相位，对每个波束、每个时间片上的采样样本进行处理，计算该样本在垂直平面内的位置信息和反向散射强度信息，并利用它们形成水体图像（袁延艺，2012）。该方式成像主要是对整个水体及海底成像，以探测水体目标为主要目的，与前五种海底成像侧重点不同。图7-10（Hughes-Clarke，2006）显示了利用多波束声呐水体影像探测沉船桅杆高度，如仅凭水深数据，由于采样点很少，桅杆很可能作为噪声被过滤掉；而通常的多波束反向散射图像是二维影像，利用其不能得到桅杆高度。

图7-10　利用多波束声呐水柱影像探测沉船桅杆高度