均匀间距线列阵波束形成器.doc

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;
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(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');

for theta=-90:90
y=zeros(size(x));
if(theta>0)
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

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(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。

for theta=-90:90
y=zeros(size(x));
if(theta>0)
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

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。