(完整版)均匀间距线列阵波束形成器
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：20120111121.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。
第五章测向与定位技术
第五章测向与定位技术5.1 波束形成器波束形成器的作用是对来自水听器基阵的信号进行延时、加权、求和等运算处理，以得到在预定方向上的指向特性，从而获取抗噪声和混响的空间增益，并用于测定目标的方位。
因此，波束形成器也可以看成是空间滤波器。
5.1.1 单波束系统单波束系统只形成一个波束，一般是利用基阵的自然方向性,即在0α的方向上形成极值来进行定向的。
为了使空间方向性较窄的单波束=能在某个开角或全方面搜索并发现目标，就必须使形成的单波束在空间旋转，现多用移相网络实现波束旋转。
以均匀线列阵为例，它的方向性图极大值是在基阵的法线方向上。
用改变声学系统各单元之间的延迟时间或补偿一定的相位达到将波束极大值相对于基阵法向转动一个α角。
图 5.1给出了采用延时补偿实现波束移动的原理图，该系统是由线列阵、混频器、延迟线及扫频震荡器组成的。
为了使最大值方向在空间图5.1 波束移动的延时补偿法示意图(a)延时补偿系统；(b)波束移动原理扫描，所有延迟线的延迟时间或者相移都必须同时做相应的改变。
如果延迟线的输入信号频率能够按波束移动要求而做相应的改变，那么延迟线的相位移就能满足波束移动的要求。
为了使延迟线的输入信号频率能按波束移动的要求改变，必须将信号在进入延迟线之前用扫频震荡器的输出信号与其混频，用混频输出送入延迟线。
有几路信号就有几个混频器。
图 5.1(b)中(ⅰ)表示混频后加到延迟线的信号频率f 1,它是一个以T s为周期、具有最大频偏f ∆的线性调频信号。
当t=0时，f 1= f 0。
图中(ⅱ)表示延迟线的相位特性，它在f 0上的相移)(0f ϕ=0。
在信号频率变化f ∆时，相移变化ϕ∆，故可得到图中(ⅲ)所示的相移特性。
这个特性表示相位移与时间呈线性关系，且在t=0时)(t ϕ=0，因此可以得到图中(ⅳ)所示的方向性图。
它的位置在一个锯齿波扫描周期内从α-变到α+，故波束实现了快速方位扫描。
5.1.2 多波束系统单波束系统因方位扫描速度太慢而不能适应实战要求。
线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法
DOI:10.3969/j.issn.1009 3486.2011.02.020线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法收稿日期:2010 09 28;修回日期:2010 10 30。
作者简介:李 琴(1981-),女,博士生,主要研究方向为探测与制导技术,E mail:liqin2000611@ 。
李 琴1,苑秉成1,林 伟1,张文娟2(1.海军工程大学兵器工程系,武汉430033; 2.海军兵种指挥学院模拟训练中心,广州510430)摘 要:声纳处理超宽频带信号时,往往需要较多的阵元以保证低频端有足够大的阵列孔径。
阵元个数的增多,必然加重系统设计负担和处理负担。
针对上述困难,设计了线性组合阵列,将宽带信号按照频率倍数关系分成多个倍频程子带信号,对不同的子带使用相应的子阵进行接收。
为避免栅瓣的出现,子阵阵元间距取为子带最高频率对应波长的一半。
各子阵中心位于同一点,这样不同子阵可以共用某些阵元,减小了系统处理的通道数。
各子阵采用低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法。
通过改变采样率,各子阵共用设计出的滤波器组,从而降低了处理器算法的运算量,实现了全频段低旁瓣恒定束宽波束形成器的设计。
最后,进行了仿真,验证了算法的有效性。
关键词:线列组合阵;恒定束宽;低旁瓣;波束形成器中图分类号:T J630 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2011)02-0094-04Realization of wideband constant beamwidth beamformer bylinear combined arrayLI Qin 1,YU AN Bing cheng 1,LIN Wei 1,ZH ANG Wen juan 2(1.Dept.o f Weaponry Eng ineer ing,Naval U niv.o f Eng ineer ing,Wuhan 430033,China;2.T raining Simulation Center ,Naval Arms Com mand Academy,Guangzhou 510430,China)Abstract:When the sonar deals w ith w ideband signals,many elements are often needed to g uarantee enough arr ay aperture at the botto m frequency.W ith the number of elements increased,mo re difficul ties w ill appear in the desig n and disposal of the system.In order to so lve the above problems,the li near combined array w as designed.T he w ideband sig nal w as splitted into several octav e bandw idth subbands in term of diploid frequency ,and each subband w as received by the cor respo nding subarray.To avoid the grating lo be,the space betw een elements of each subarr ay w as set as half w av elength of upmost frequency in each subband.T he center o f each subar ray w as the sam e point,so the different subarr ay s could share some elem ents w hich reduced the channels.Each subar ray w as designed fo r low sidelobe co nstant beamw idth beamform er in time dom ain.T he sampling frequency changes with the subarr ay ,w hich m akes the computational lo ad much low er by using the designed filters thus to re alize the design of wideband lo w sidelobe constant beamw idth beamformer.Finally,the validity of methods mentioned w as verified by simulating on computer.Key words:linear com bined array;constant beam w idth;low sidelo be;beamformer主被动声纳中,宽带信号的无失真接收对诸如目标识别、参数估计和波形分析等声纳的后置处理至关重要[1]。
线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法
线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法李琴;苑秉成;林伟;张文娟【期刊名称】《海军工程大学学报》【年(卷),期】2011(023)002【摘要】声纳处理超宽频带信号时,往往需要较多的阵元以保证低频端有足够大的阵列孔径.阵元个数的增多,必然加重系统设计负担和处理负担.针对上述困难,设计了线性组合阵列,将宽带信号按照频率倍数关系分成多个倍频程子带信号,对不同的子带使用相应的子阵进行接收.为避免栅瓣的出现,子阵阵元间距取为子带最高频率对应波长的一半.各子阵中心位于同一点,这样不同子阵可以共用某些阵元,减小了系统处理的通道数.各子阵采用低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法.通过改变采样率,各子阵共用设计出的滤波器组,从而降低了处理器算法的运算量,实现了全频段低旁瓣恒定束宽波束形成器的设计.最后,进行了仿真,验证了算法的有效性.【总页数】5页(P94-97,112)【作者】李琴;苑秉成;林伟;张文娟【作者单位】海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军兵种指挥学院模拟训练中心,广州510430【正文语种】中文【中图分类】TJ630【相关文献】1.基于虚拟成阵技术的线列阵恒定束宽的波束形成 [J], 陶林伟;王英民;王成2.一种用时变FIR滤波器实现宽带恒定束宽波束形成器的方法 [J], 邱宏安;闫雷;罗超3.多波束宽带恒定束宽波束形成器的DSP实现 [J], 王英哲;杨益新;张忠兵4.嵌套复合阵恒定束宽波束形成的多率实现方法 [J], 蔡利平;贺春林5.基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器的原理与设计 [J], 王大成;郭丽华;丁士圻因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
远场-近场折中的波束形成器设计及SOPC实现
远场-近场折中的波束形成器设计及SOPC实现周尧;高天德;郭秀焱;王向辉【摘要】针对语音信号处理中传统的固定波束形成器,需要给定远场声源或近场声源,导致应用场合受到局限的问题,提出了用最小平方方法实现远场-近场折中的固定波束形成器设计,给出了系统在SOPC上的实现过程,验证了该方案具有运算简单,应用广泛而且失真度小的特性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2010(033)015【总页数】4页(P107-110)【关键词】麦克风阵列;语音增强;波束形成;SOPC;FPGA【作者】周尧;高天德;郭秀焱;王向辉【作者单位】西北工业大学,航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学,航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学,航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学,航海学院,陕西,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】TN0110 引言高保真音频已成为当代语音通信系统的重要标准。
在许多应用领域如PC、免提电话、助听器、语音识别系统等，感兴趣的语音信号不可避免地伴随着噪声、干扰或混响，人们渴望语音可懂度和语音质量的提高[1]，尤其随着当今半导体工艺水平的进步，嵌入式处理器的体积不断缩小，性能不断提高，当今MEMS技术取得了突飞猛进的进展，便携式语音增强系统已成为现实，然而一种有效可行的语音增强算法已成为研究的重点。
宽带波束形成是麦克风阵列语音增强理论的重要研究内容，分为固定波束形成和自适应波束形成。
波束形成器的优点在于其空间的选择性[2]，将波束对准目标声源，从而抑制来自其他方向的干扰和混响。
假定的固定波束形成(Fixed Beamforming)目标声源已知，将主瓣限定在声源的一个固定范围，同时抑制旁瓣[3]，由于固定波束形成器不能自动适应任意声学环境，其降噪效果并不明显[4]，但对于干扰和混响的抑制，其方法简单，效果显著。
传统的延时-求和(Delay and Sum) 波束形成器，类似于低通滤波器[5-6])，信号经过延时求和后便引入了失真。
一种实现均匀线列阵恒定束宽的方法
一种实现均匀线列阵恒定束宽的方法
吕丹丹
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2024(47)2
【摘要】当基阵接收信号为宽带时,若采用常规宽带波束形成,不同频率上波束图不同,频率越高,波束宽度越窄。
当信号从波束主瓣内非主轴方向入射时,输出波形会发生失真,直接影响到后续的一系列功能,如系统估计波形、识别目标特性等。
该问题
的基本解决方法是,设计恒定束宽波束形成器,使基阵系统对不同频率的输入信号具
有相似的波束图。
研究了一种应用于均匀线列阵的恒定束宽控制方法——空间重
采样法,仿真结果表明,在一定的带宽内,系统能够实现恒定束宽,证明了该方法的有效性。
此外,仿真实现了空间重采样恒定束控算法在频域宽带波束形成系统中的应用。
在频域宽带波束形成时,利用重叠保留法,解决了数据块之间相位不连续的问题。
对
于系统频带范围外的频点,采用置极小数处理的方法,抑制带外干扰,提高了结果的精确度。
【总页数】6页(P93-97)
【作者】吕丹丹
【作者单位】中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7
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单元均匀线阵自适应波束形成图
4单元均匀线阵自适应波束形成图clearclcformat long;v=1;M=4;N=1000;f0=21*10^3;f1=11*10^3;f2=15*10^3;omiga0=2*pi*f0;omiga1=2*pi*f1;omiga2=2*pi*f2;sita0=0.8; %信号方向sita1=0.4; %干扰方向1sita2=2.1; %干扰方向2for t=1:Nadt(t)=sin(omiga0*t/(N*f0));a1t(t)=sin(omiga1*t/(N*f1));a2t(t)=sin(omiga2*t/(N*f2));endfor i=1:Mad(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita0));a1(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita1));a2(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita2));endR=zeros(M,M);for t=1:Nx=adt(t)*ad+a1t(t)*a1+a2t(t)*a2; %阵列对信号的完整响应R=R+x*x';%信号的协方差矩阵endR=R/N;miu=1/(ad'*inv(R)*ad);w=miu*inv(R)*ad;for sita=0:pi/100:pifor i=1:Mx_(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita));endy(1,v)=w'*x_;v=v+1;endy_max=max(y(:));y_1=y/y_max;y_db=20*log(y_1);sita=0:pi/100:pi;plot(sita,y)Xlabel（‘sitaa’）Ylabel（‘天线增益db’）4单元均匀线阵自适应波束形成目标clearclcformat long;v=1;M=4;阵元数N=100;f0=21*10^3;omiga0=2*pi*f0;sita0=0.6;%信号方向for t=1:Nadt(t)=sin(omiga0*t/(N*f0));endfor i=1:Mad(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita0)); endR=zeros(4,4);r=zeros(4,1);for t=1:Nx=adt(t)*ad;R=R+x*x.';endR=R/N;miu=1/(ad.'*inv(R)*ad);w=miu*inv(R)*ad;for sita=0:pi/100:pi/2for i=1:Ma(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita));endy(1,v)=w.'*a;v=v+1;endsita=0:pi/100:pi/2;plot(sita,y)xlabel('sita')ylabel('天线增益’)这是程序全部，有的比较简单的部分就可以省事的，如果解释的好，再加分的，大大的。
(完整word版)自适应波束形成与Matlab程序代码注解
1.均匀线阵方向图(1)matlab 程序clc;clear all；close all；imag=sqrt(—1）；element_num=32;％阵元数为8d_lamda=1/2;%阵元间距d与波长lamda的关系theta=linspace(-pi/2，pi/2,200）;theta0=0；％来波方向w=exp（imag＊2＊pi*d_lamda＊sin（theta0)*[0:element_num-1］'）；for j=1:length（theta)a=exp(imag＊2*pi＊d_lamda*sin（theta(j）)＊[0:element_num-1］');p（j）=w’*a;endpatternmag=abs(p);patternmagnorm=patternmag/max(max(patternmag）);patterndB=20*log10(patternmag)；patterndBnorm=20＊log10(patternmagnorm）;figure（1）plot（theta＊180/pi，patternmag）；grid on；xlabel（'theta/radian'）ylabel('amplitude/dB')title([num2str(element_num）’阵元均匀线阵方向图’,'来波方向为’num2str(theta0＊180/pi）'度’]);hold on;figure(2)plot(theta,patterndBnorm,'r’）；grid on;xlabel（’theta/radian’）ylabel('amplitude/dB’)title([num2str(element_num）’阵元均匀线阵方向图’，'来波方向为’num2str(theta0＊180/pi）’度']);axis（［-1.5 1。
均匀直线阵的波束形成
为 使 天 线 的 波 束 指 向可 控 。甚 至 形 状 可 控 。采 用 阵列 天 线 是 合 适 的 。波 达 方 向 ＤＯＡ（Ｄｉｒｃｔｉｏｎ Ｏ ｆ Ａｒｒｉｖａ）的 估 计 是 智 能 天 线 工 作 的 基 础 。 获 得 波 达 方 向 的估 计 以后 ，波 束 形 成 是 智 能 天 线 工 作 的 重 要 内容 。
（７）
以求 解 方 程 组 （７）得 到 ＝ ［ 。， 。，Ａｗ 一。］代 入 （５）式 可 以得 到 阵 列 输 出 的 方 向特 性 Ｙ（ｔ）。
２ 仿真试验
（１）在 七 个 阵 元 的 等 距 离 直 线 阵 上 进 行 单 信 号 波束形成试 验 。
在 信 号 到 来 的 方 向形 成 尽 量 高 的增 益 。
中 图分 类 号 ：ＴＮ９１４．３
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００９—２５５２（２００３）０５—００２２—０３
Ｂｅａｍ ｆｏｒｍ ｉｎｇ ｏｆ ｕｍ ￣ ｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ
Ｕ Ｎ Ｈｕａ。ｆａｎｇ ， ＸＵ Ｍ ｉｎｇ。ｙｕａｎ
（１．Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｎｎｍｌｎｇ ６５００９３， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔ ｅｅｈｎｏ￣ ｙ。Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００５１。Ｃｈｉｎａ；）
（６）
改变 。即改变 ｗ 可 以改变 阵列 输 出的方 向特性 。
空间谱估计基本原理
-80
-60
-40
-20
0
20
jiao du
jiao du
MNM-Music
40
60
80
100
dB
dB
0 MEM-Music
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-100 -80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
jiao du
算法的性能分析
性能分析主要是理想情况下的理论性能和分辨 力，包括 估计偏差、估计方差、成功概率； 谱与信噪比 、阵元数、阵元间距、快拍数、CRB 的关系； 分辨力与信噪比 、阵元数、阵元间距、快拍数的 关系。
实质上，整个问题变成了在有色噪声环境中，对相关信号源做目标参 数估计的问题。
常规波束形成器
PCBF =
aH ( )Ra( ) aH ( )a( )
三、多重信号分类算法 (MUSIC)及其性能
1. 经典MUSIC算法（独立信号）
数据协方差矩阵的最大似然估计及其特征矢量矩阵
å Rˆ = 1 L XX H ,
阵列信号处理实质上是提高阵列输出的信噪比。 特征信息和参数一般包括：空间信号源的方向、数目、信号 的频率、相位、调制形式及波形等。
阵列信号处理具有的优点
灵活的波束控制 较高的信号增益 较强的干扰抑制能力 很好的空间分辨能力
阵列信号处理的两个主要研究方向
自适应阵列处理(空域自适应滤波，自适应波束形成)
相对应的特征向量矩阵为
US [e1 e2
eN ], U N [eN 1 eN 2
均匀线列阵时域宽带波束形成方法研究
均匀线列阵时域宽带波束形成方法研究
苏为;黄建国;连明
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2009(026)001
【摘要】时域宽带恒定束宽波束形成技术一般采用特殊频率响应的FIR滤波器组实现对不同频率的加权.对水下常用的均匀线列阵,利用切比雪夫方法设计了形成宽带恒定束宽波束的权值.通过对切比雪夫方法设计权值特性的分析,推导出实现加权的FIR滤波器组的相位响应关系式.根据推导结果得出设计的FlR滤波器组应为一组斜率不同的线性相位响应FIR滤波器.推导了滤波器组相位响应的计算公式.给出三种特殊频率响应FIR滤波器设计算法.通过仿真结果比较了三种方法设计的用于实现均匀线列阵恒定束宽加权的FIR滤波器组的性能.
【总页数】4页(P317-319,351)
【作者】苏为;黄建国;连明
【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;海军飞行学院,辽宁,葫芦岛,125001
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
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1.基于小数时延滤波器的时域宽带波束形成实现研究 [J], 张博彦;彭元坤
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4.一种改进的非均匀线列阵宽带波束形成方法 [J], 郭祺丽;孙超
5.基于维纳滤波的时域宽带波束形成技术 [J], 田国强;李根起
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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）。