均匀间距线列阵波束形成器.docx

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均匀间距线列阵波束形成器

实验3均匀间距线列阵波束形成器

姓名：

逯仁杰

班级：

20120001（12级陈赓1班）

学号：

2012011112

1.实验目的

通过本实验的学习，加深对《声纳技术》中波束形成和方位估计的概念理解，理解声纳信号处理的基本过程，为今后声纳信号处理的工作和学习建立概念、奠定坚实的基础。

2.实验原理

波束形成器的本质是一个空间滤波器。

当对基阵各基元接收信号作补偿处理，使得各基元对某个特定方向上的信号能够同相相加，获得一个最大的响应输出（幅度相加）；相应的各基元对其它方向的信号非同相相加，产生一定的相消效果的响应输出（对于各基元噪声相互独立的情况时功率相加）。

这就是波束形成的工作原理。

常用的波束形成方法主要有时延波束形成法和频域波束形成法。

在此基础上针对不同的阵形、设计要求以及背景噪声特性下还发展了许多波束形成算法。

针对不同的阵形时的波束形成方法是指依赖于阵形的特殊性（如直线阵、圆阵、体积阵等）而得到的波束形成算法：

如直线阵波束形成法、圆阵波束形成法，体积阵波束形成法等。

针对不同的设计要求也衍生出多种新型的波束形成算法。

当对不同的频率响应要求相同的波束宽度时有恒定束宽波束形成法，当对波束的旁瓣级有要求时可采用切比雪夫加权波束形成法。

当要求对阵列误差具有宽容性响应时失配条件下的波束形成器[6,362-382]。

如果利用噪声干扰的统计特性有高分辨最小方差无畸变响应（MVDR）波束形成法，线性约束最小方差（LCMV）波束形成法，线性约束最小功率（LCMP）波束形成法，自适应波束形成法等。

但不管是何种波束形成方法，其目的均是在干扰背景下获取某个方向的信号或估计信号的方位。

下面仅给出时延波束形成和相移波束形成的基本原理。

时延波束形成法（时域）

相移波束形成法（频域）

3.实验内容

（1）仿真等间距直线阵基元接收信号，对所接收信号进行延时波束形成，估计目标方位；分析波束形成性能。

参数：

阵元数16，中心频率1500Hz，带宽500Hz，信号脉宽20ms，信噪比20dB。

（2）采用频域波束形成方法对所接收信号进行波束形成，估计目标方位，分析波束形成性能。

参数不变。

4.实验结果及数据分析

clc;

clearall;

closeall;

N=input（'请输入阵元数:

'）;

f0=1500;

B=500;

c=1500;

T=0.02;

d=0.5*c/f0;

fs=100*f0;

A=0.1;

L=3*（N-1）*d/c;

t=0:

1/fs:

L;

theta0=input（'请输入目标方位角（角度）:

'）;

theta0=theta0/180*pi;

x=zeros（N,length（t））;

fork=0:

N-1

if（theta0<0）

tao=fix（（N-k-1）*d*sin（theta0）/c*fs）-1;

x（k+1,-tao:

end）=A*sin（2*pi*f0*t（1:

length（t）+1+tao））;

else

tao=fix（k*d*sin（theta0）/c*fs）+1;

x（k+1,tao:

end）=A*sin（2*pi*f0*t（1:

length（t）+1-tao））;

end

end

plot（x'）;

set（gca,'FontSize',20）;

title（'各基元接收到的信号（无噪声）'）;

xlabel（'t/s'）,ylabel（'A/v'）;

fortheta=-90:

90

y=zeros（size（x））;

if（theta>0）

fork=0:

N-1

tao=fix（k*d*sin（theta/180*pi）/c*fs）+1;

y（k+1,1:

length（t）+1-tao）=x（k+1,tao:

end）;

end

else

fork=0:

N-1

tao=fix（（N-k-1）*d*sin（theta/180*pi）/c*fs）-1;

y（k+1,1:

length（t）+1+tao）=x（k+1,-tao:

end）;

end

end

sumy=sum（y）;

ps（theta+91,:

）=sum（sumy.*sumy）/length（sumy）;

end

figure

plot（-90:

90,20*log10（ps'/max（ps）））;

set（gca,'FontSize',20）;

title（'时域波束形成（无噪声）'）;

xlabel（'{\theta}/度'）;

ylabel（'输出/dB'）;

gridon

取基元为16，入射角为30度，也的确在30度输出最大。

n=normrnd（0,1,1,length（t））;

w=2*[f0-B/2,f0+B/2]/fs;

b=fir1（128,w,'bandpass'）;

np=filter（b,1,n）;

pn=std（np）^2;

ps=A^2/2;

ks=sqrt（ps/（100*pn））;

x=zeros（N,length（t））;

xx=A*cos（2*pi*f0*t）+ks*np;

fork=0:

N-1

if（theta0<0）

tao=fix（（N-k-1）*d*sin（theta0）/c*fs）-1;

x（k+1,-tao:

end）=xx（1:

length（t）+1+tao）;

else

tao=fix（k*d*sin（theta0）/c*fs）+1;

x（k+1,tao:

end）=xx（1:

length（t）+1-tao）;

end

end

figure

set（gca,'FontSize',20）;

plot（x'）;

title（'时域波束形成（有噪声）'）;

xlabel（'t/s'）,ylabel（'A/v'）;

由此可见加过噪声的信号与SNR=0dB时波束输出图差别不大，都为入射角30度时幅值最大，因为波束输出图所反映的是基阵的性质，基阵本身的参数没有改变自然不会对输出波形造成影响。

改变SNR的值只能使得相同条件下信噪比高的信号输出的波形图在30度处的响应比在其它角度处的响应强度会比信噪比低的大，这样更有利于目标方向信号的判断。

fortheta=-90:

90

y=zeros（size（x））;

if（theta>0）

fork=0:

N-1

tao=fix（k*d*sin（theta/180*pi）/c*fs）+1;

y（k+1,1:

length（t）+1-tao）=x（k+1,tao:

end）;

end

else

fork=0:

N-1

tao=fix（（N-k-1）*d*sin（theta/180*pi）/c*fs）-1;

y（k+1,1:

length（t）+1+tao）=x（k+1,-tao:

end）;

end

end

sumy=sum（y）;

ps（theta+91,:

）=sum（sumy.*sumy）/length（sumy）;

end

figure

plot（-90:

90,20*log10（ps'））;

set（gca,'FontSize',20）;

title（'{\theta}方向扫描结果（有噪声）'）;

xlabel（'{\theta}/度'）;

ylabel（'输出/dB'）;

gridon

fftx=fft（x',fs）;

pa=fftx（1500,:

）;

phas=atan（real（pa）./imag（pa））;

forn=1:

N;

phas（n）=phas（n）+pi*（n-1）;

end

figure

stem（phas）;

set（gca,'FontSize',20）;

title（'1500Hz处各基元接收信号相位关系'）;

ylabel（'{\phi}'）;

px=（0:

N-1）.*d;

alpha=（-90:

90）*pi./180;

s=exp（-j*2*pi*f0/c*px'*sin（alpha））;

fork=0:

N-1

if（theta0<0）

tao=fix（（N-k-1）*d*sin（theta0）/c*fs）-1;

x（k+1,-tao:

end）=xx（1:

length（t）+1+tao）;

Sf=fft（x（k+1,:

）,fs）;

R1（k+1）=Sf（f0+1）;

else

tao=fix（k*d*sin（theta0）/c*fs）+1;

x（k+1,tao:

end）=xx（1:

length（t）+1-tao）;

Sf=fft（x（k+1,:

）,fs）;

R1（k+1）=Sf（f0+1）;

end

end

R0=R1*s;

yy=abs（real（R0））;

yy=yy./max（yy）;

figure

plot（-alpha.*180./pi,20.*log10（yy））;

set（gca,'FontSize',20）;

xlabel（'{\theta}/度'）;

ylabel（'输出/dB'）;

title（'频域波束形成'）

gridon

可见各基元间相位基本是线性，频域波束图同样能确定入射波的方位角在30度处。

因为频域的相位补偿与时域的时延补偿作用类似，都使各基元接收实现了同相相加，获得最大的幅值。

现将基元数变更为40，其他参数不变。

通过比较观察，可以发现，时域波束形成图中的尖峰数即为阵元个数减一，即N-1个，频域图中各个尖峰之间会出现小的旁瓣，可以起到增加通带增益抑制阻带，也对确定目标方位更有益处。

改变N，可以明显看出主波束宽度有所变化，N越大，主波束宽度越小，指向性越好。

6.总结与心得体会

如何产生时延不同的多路信号非常关键，本次实验使我掌握了时延波束形成的原理和简单的matlab实现方法,加深了对相移波束形成和DFT波束形成的了解。

7.对本实验过程及方法、手段的改进建议

由于部分实验程序用的是Matlab2014a版本，所以程序的有些地方与上实验课时用的Matlab版本不一致。