声学多普勒流速剖面仪(ADCP)利用多普勒效应对水体流速进行测量,该技术已经非常成熟,但仍存在较大的改进空间。传统的ADCP设备波束方向固定,无法根据具体的测量需要任意改变发射的波束方向,而且使用时需要载体,设备需要在运动中完成测量工作,测量比较耗时。本文基于已有声学多普勒测流技术研究成果,采用多波束技术对现有的多普勒测流技术进行改进,提出了多波束声学多普勒测流系统的设计方案,多波束测流系统可以对水体的流速进行测量,实现测流的功能,同时通过计算回波散射强度还可以实现对舰船的尾流形状进行观察。本文还对设计方案中的关键内容进行了仿真,验证了系统中的关键技术,为之后的研究工作打下基础。本文首先总结了现有的多普勒测流技术、多波束技术和尾流特性的相关研究资料和国内外的研究现状,介绍了多普勒测流技术和多波束技术的基本原理,研究了舰船尾流的形状和声学散射特性,在深入调研的基础上,根据实际的应用需求,提出了利用多波束技术和多普勒效应对流体流速进行测量的方法,给出了多波束测流系统的软硬件设计方案。本文重点研究了基于多波束技术的发射与接收阵列的设计方法、对所测量的水体空间进行划分的方法和多波束测流系统的分层方法。将整个水体测量空间划分为若干个小区域,计算了每个小区域对应的波束指向方向。采用改变不同波束方向上信号脉冲宽度的方法,对传统多普勒测流技术的分层方法进行了完善。同时,论文基于ADCP系统的复自相关频率估计算法给出了多波束测流系统的径向流速计算方法,以及水体分层散射强度的计算方法和利用径向流速来获得实际流速和方向的算法。为完善系统的设计方案,本文还对系统相控发射阵列的指向特性、舰船开尔文尾迹的形状等内容进行了仿真,对多波束测流的误差大小与空间分布进行了详细的仿真与分析。多波束测流系统的硬件由多波束相控发射电路、多通道接收电路和DSP电路等组成,本文重点对其中的多波束相控发射电路的设计方案进行了阐述,并制作了一套多波束相控发射电路模块,多波束相控发射电路由相控信号源、功放驱动级电路、功率放大电路和阻抗匹配变压器等部分组成。最后,本文介绍了在消声水池中对系统中多波束相控发射阵列的性能测试实验,分析了实验结果,对多波束测流系统的这一关键技术进行了验证。