均匀间距线列阵波束形成器

实验实验 3 3 均匀间距线列阵波束形成器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 1 实验目的实验目的 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 2 实验原理实验原理 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 3 实验内容实验内容 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 4 实验结果及数据分析实验结果及数据分析 clc clear all close all 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 for k 0 N 1 if theta00 for k 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 for k 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 grid on 0100020003000 0 1 0 05 0 0 05 0 1 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 t s A v 100 50050100 80 60 40 20 0 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 dB 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 for k 0 N 1 if theta00 for k 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 for k 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 grid on fftx fft x fs pa fftx 1500 phas atan real pa imag pa for n 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 for k 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 grid on 05101520 0 10 20 30 40 50 1500Hz位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 100 50050100 80 60 40 20 0 位 位 位 dB 位 位 位 位 位 位 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 100 50050100 80 60 40 20 0 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 dB 100 50050100 60 40 20 0 20 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 dB 100 50050100 100 80 60 40 20 0 位 位 位 dB 位 位 位 位 位 位 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 6 总结与心得体会总结与心得体会