声纳技术试验报告三汇总

1、 1. 实验目的 (1) 、熟悉波束形成的物理机理和基本原理，熟悉时延波束形成基本方法 (2) 、练习 MATLAB 用于声纳信号处理的方法。 2. 基本原理 (1) 、波束形成的物理机理 波束形成的目的是使多阵元构成的基阵经过适当处理得到在预定方向的指 向性，主要内容是多元阵如何形成指向性波束及如何控制波束指向的技术， 主要 包括发射系统和接收系统的波束形成。 发射系统的波束形成可以达到能量聚焦以增大探测距离及定向的目的， 常见 的如激光、手电筒、凸透镜聚焦、相控阵多普勒计程仪等设备就是应用这个原理。 接收系统的波束形成的目的是获得预定方向的信号以控制其他方向的信号和干 扰、准确定向和在形成

2、多个波束时分辨多个目标，像望远镜等就具有类似功能。 发射系统的波束形成针对物理空间， 而接收系统针对观测空间。 本实验的重 点是发射系统的波束形成。 N N N N1 1 2 1 1 0 0 2 (2) 、波束形成的基本原理 狭义上，波束形成技术是指将按一定几何形状 (直线，圆柱等)排列的多元基阵各阵元的输出经过 处理(例如加权、 延时、求和等)形成空间指向性的 方法。在广义上，波束形成技术是将一个多元阵经适 当处理时期对某些空间方向的声波具有所需响应的 方法。在物理上等效于空间滤波器， 可以滤去空间某 些方位的信号，只让指定方位的信号通过。 对于任意阵，其波束形成分析如下： 如右图所示，以阵

3、元 0 为参考点，信号到达其他 各阵元的提前时间为： 1 , 2 , , N 1 因此，将各阵元接收到的信号分别延时 1 , 2 , , N 1 后相加，即可实现同向相加的输出，在该方向的输出幅度最大。 波束形成后基阵的指向性图如下所示： 总之，波束形成的基本原理可叙述为： 对多元阵阵元接收信号进行时延或相 移补偿，使对预定方向的入射信号形成同相相加。 延时求和波束形成是将各基元 信号进行适当组合， 若波束形成器的时间延时与声波入射方向相匹配时， 信号产 生等相位相加，相对于噪声得到增强。 用数字方法实现延迟时，延迟时间 只能是采样间隔的整数倍，即 d sin 0 k 0 , 0 arc si

4、n (k c / d ), k 0, 1, 2 , , 采 样 间 隔 ， R( ) 0.9 正确补偿时延 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 未补偿时延 0.3 0.2 0.1 0 20 40 60 80 -80 -60 -40 -20 0 N1 波束形成器输出为 : b(n,k)wix(n ik)， k 0, 1, 2, i0 常规波束形成器示意图如下所示： (3) 、波束形成的计算机仿真方法 1) 、确定预成波束的方位； 2) 、结合阵元位置确定程差； 3) 、在不同的波束补偿时延； 4) 、将补偿程差后的信号累加； 5) 、求功率； 6) 、画出不同波束的波束输出结果； 7) 、估

5、计方位。 3. 实验内容 a、产生带时延的阵元接收信号 b、产生一定信噪比下的信号 c、对信号进行补偿时延 d、波束输出 e、估计方位 4. 实验结果及数据分析 首先对时延波束形成、频域波束形成及 DFT 波束形成进行比较： 实验程序： clc; clear; % 参数 c=1500; f0=1.5e3; fs=150e3; T=50e-3; SNR=20; lamda=c./f0; D=lamda./2; N=21; maxdelay=(N-1).*D./c; Nmaxdelay=round(maxdelay.*fs); alpha=(-90:90)*pi./180; px=(0:N-1).

6、*D; theta0=50*pi./180; N_delay0=D.*sin(theta0)./c.*fs; Wn=2*1000 2000/fs; bb=fir1(128,Wn,bandpass);%带通滤波器系数 % 信号模型 t=0:1./fs:T; sig00=sqrt(2).*cos(2.*pi.*f0.*t); for mm=1:N; N0=round(N_delay0.*(mm-1); sig0(mm,:)=zeros(1,Nmaxdelay.*2-N0) sig00 zeros(1,Nmaxdelay.*1+N0); end len=length(sig0(1,:); for m

7、m=1:N; % 加噪声 %噪声能量归一化 %噪声与信噪比的转化 NN=normrnd(0,1,1,len); noise=filter(bb,1,NN); noise=noise/std(noise); noise=noise/10(SNR/20); sig(mm,:)=sig0(mm,:)+noise; end % 时域波束形成 tt=(0:len-1)./fs; tt1=(Nmaxdelay+1:len-1-Nmaxdelay)./fs; for mm=1:length(alpha); for nn=1:N; tc0=(nn-1).*D.*sin(alpha(mm)./c; ss(nn,

8、:)=interp1(tt,sig0(nn,:),tt1-tc0); end sss(mm,:)=sum(ss,1); sout(mm)=std(sss(mm,:); end figure plot(alpha.*180./pi,20.*log10(sout./max(sout) xlabel(方位角 /度) ylabel(波束输出 /分贝 ) title( 时域波束形成 ) grid on % 频域波束形成 vscan=exp(-j*2*pi*f0/c*px*sin(alpha); for ii=1:N Sf=fft(sig(ii,:),fs); R1(ii)=Sf(f0+1); end R

9、0=R1*vscan; yy=abs(real(R0); yy=yy./max(yy); figure plot(alpha.*180./pi,20.*log10(yy) xlabel(方位角 /度) ylabel(波束输出 /分贝 ) title( 频域波束形成 ) grid on % DFT波束形成 for ii=1:N Sf=fft(sig(ii,:),fs); R1(ii)=Sf(f0+1); end nfft=1024; Beam_DFT=fftshift(abs(fft(R1,nfft); Beam_DFT=20*log10(Beam_DFT./max(Beam_DFT); nn1

10、=nfft/2+1:nfft,1:nfft/2; angle = asin(lamda/D*-nfft/2:nfft/2-1/nfft)*180/pi; figure plot(angle,Beam_DFT) xlabel(方位角 /度) ylabel(波束输出 /分贝) title(DFT波束形成 ) grid on 实验结果 ; 时域波束形成 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 方位 角/度 60 80 100 0 1 贝分/出输束波 频域波束形成 贝分/出输束波 -10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0 -80 -60 -40 -20 0 20 方位

11、角/度 DFT波束形成 40 60 80 1 00 贝分/出输束波 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 方位 角/度 下面对时延波束形成中参数进行变化比较： 主要参数为方位角 0 、信噪比 SN R 和阵元数 N ，上述为 0 50 ， SN R 20， N 2 1 0 30 ， SNR 20， N 21时（此时及以下只需改变程序中的相应参数， 其它部 分没有变化，因此程序不再重述，只给出相应结果） ： 贝分/出输束波 -40 -100 -80 -60 -40 时域波束形成 -5 -10 0 -20 0 20 40 60 80 100 方位 角/度 0

12、 30 ， SNR 0， N 21 时： -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 方 位 角/度 0 -5 -10 时域波束形成 5 0 5 0 1 2 2 3 - - - - 贝分/出输束波 -40 60 80 100 0 30 ， SNR 0， N 40 时： 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 时域波束形成 -35 -40 -45 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 方位 角/度 60 80 100 贝分/出输束 5. 结论 1、由以上各图可以看出，波束输出都有最大值且都在预定方位角0 处，即在 0 角度上基阵的输出最大，具有最大的自然指向性， 这也就是波束形成的目的所在。 2、由前三个图形可以得到三种波束形成方法的比较如下：相对来说，时域波束 形成的主波束幅值突出较明显， 但其主波束宽度较宽， 在实际应用时会影响精确 度；频域波束形成的主波束宽度最窄， 可以达到较高的角度分辨率， 但其主波束 在幅值上与其它波束相差不大，不宜用于幅值分辨率小的场合； DFT波束形成的 主波束在幅值上与其它波束相差也不大，而且主波束宽度也较宽。 3、改变方位角时 （即第一图和第四图） ，可以很清晰的看到在各个不同角度上的 波束输出， 这就是波束形成的目的， 基阵实现了信