哈尔滨工程大学声纳技术实验报告
实验3等间距线列阵的波束形成
-- 姓名： 庞博---- 班级： 20100512 学号： 2010051217
2013年4月20日
预习报告
1.实验目的
加深对波束形成技术的理解；掌握时延波束形成，相移波束形成等常用的波束形成方法。
2.基本原理
所谓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。或者更一般的说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。
因此，一个波束形成器可以等效为一个空间滤波器，可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。
波束形成的基本原理也可叙述为：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。
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。
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。
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]。
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。 时延波束形成法：
时延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。 相移波束形成法：
各阵元之间有一定的相移，只需对各基元补偿相位后相加即可得到竖直方向信号的同相相加的输出，在该方向上输出幅度最大。
对于频域波束形成法，可以采用傅立叶变换方法得到相应频率点的复数值。
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.实验步骤
（1）产生无噪声条件下各基元接收信号； （2）对各基元接收信号补偿时延； （3）画出波束输出图，估计目标方位；
（4）根据给定信噪比，对各基元信号加入噪声重复步骤1至步骤3； （5）分析波束形成性能与阵元数、信噪比的关系。
（6）对所接收各基元信号作傅立叶变换，得到相应频点的相位，观察各基元 间的相位差是否与理论值相同。
（7）补偿各基元相位差，进行频域波束形成，估计目标方位。
实验报告
1.实验目的
加深对波束形成技术的理解；掌握时延波束形成，相移波束形成等常用的波束形成方法。
2.基本原理
所谓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。或者更一般的说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。
因此，一个波束形成器可以等效为一个空间滤波器，可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。
波束形成的基本原理也可叙述为：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。 时延求和波束形成原理：
时延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
k
dsin0，0arcsin(kc/d),k0,1,2,，采样间隔 c θ
dsin c0123N-1 均匀线阵示意图
常规波束形成器示意图
波束形成器输出：b(n,k)wix(nik)，k0,1,2,
i0N1i基元序号，k波束序号，n信号的时间序号。 波束形成的基本原理可叙述为：
对多元阵阵元接收的信号进行时延或相移补偿，使基阵对预定方向的入射信号形成同相相加。实现空域滤波效果。
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.实验步骤及程序
（1）产生无噪声条件下各基元接收信号； （2）对各基元接收信号补偿时延； （3）画出波束输出图，估计目标方位；
（4）根据给定信噪比，对各基元信号加入噪声重复步骤1至步骤3； （5）分析波束形成性能与阵元数、信噪比的关系。
（6）对所接收各基元信号作傅立叶变换，得到相应频点的相位，观察各基元 间的相位差是否与理论值相同。
（7）补偿各基元相位差，进行频域波束形成，估计目标方位。
5.程序编写
clearall; closeall; N=16; 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;%时延
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;%时延
x(k+1,tao:end)=A*sin(2*pi*f0*t(1:length(t)+1-tao)); end end
plot(x');
title('各基元接收到的信号（无噪声）'); xlabel('t/s'),ylabel('A/v'); %角度扫描
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;%时延 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;%时延 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))); title('{\heta}方向扫描结果（无噪声）'); xlabel('{\heta}/度');ylabel('输出/dB'); gridon
%产生带内20dB噪声
n=normrnd(0,1,1,length(t));%高斯噪声 w=2*[f0-B/2,f0+B/2]/fs;%窗 b=fir1(128,w,'bandpass'); np=filter(b,1,n); pn=std(np)^2; ps=A^2/2;
ks=sqrt(ps/(100*pn));
%各基元接收信号（有噪声） 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;%时延 x(k+1,-tao:end)=xx(1:length(t)+1+tao); else
tao=fix(k*d*sin(theta0)/c*fs)+1;%时延 x(k+1,tao:end)=xx(1:length(t)+1-tao); end end figure plot(x');
title('各基元接收到的信号（有噪声）'); xlabel('t/s'),ylabel('A/v'); %角度扫描
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;%时延 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;%时延 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'));title('{\heta}方向扫描结果（有噪声）'); xlabel('{\heta}/度');ylabel('输出/dB');gridon %相位关系 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);
title('1500Hz处各基元接收信号相位关系'); ylabel('{\\phi}');
%频域波束形成 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;%时延 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;%时延 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))xlabel('{\heta}/度')ylabel('输出/dB') title('频域波束形成') gridon
6.实验结果及分析
在实验程序中可以单独设定入射角度0，本实验结果分析中选取的0=30。当阵元数N=16时，程序运行结果如下：
首先产生无噪声条件下的各阵元接收信号图形
各基元接收到的信号（无噪声）0.10.080.060.040.02A/v0-0.02-0.04-0.06-0.08-0.105001000t /s150020002500
各基元接收信号（无噪声）
对各基元接收信号进行时延补偿后，画出波束输出图
方向扫描结果（无噪声）0-10-20输出/dB-30-40-50-60-70-100-80-60-40-200/度20406080100
时域波束形成（无噪声）
通过对波束图的分析可以发现，基阵在0=30方向上响应最大，故可以得到
目标信号的入射角度为30，与假设是相同的。由于信号是30角入射，所以波束输出在30角时是最大的。此时，基阵实现了信号的同相相加。输出最大。 加入带内20dB的噪声后：
各基元接收到的信号（有噪声）0.150.10.050A/v-0.05-0.1-0.15-0.205001000t /s150020002500
各基元接收信号（有噪声）
对各基元接收信号进行时延补偿后，画出波束输出图
方向扫描结果（有噪声）100-10-20输出/dB-30-40-50-60-70-100-80-60-40-200/度20406080100
时域波束形成（有噪声）
由波束图分析可知，加过噪声的信号与SNR=0dB时波束输出图差别不大，都为
0=30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的值只能使得在信号分析时准确程度有所增加，即在相同条件下信噪比高的信号输出的波形图在30处的响应比在其它角度处的响应强度会比信噪比低的大很多。相当于滤波器的带宽变窄了同时止带的衰减更大了，这样更有利于目标方向信号的判断。
1500Hz处各基元接收信号相位关系504540353025201510500246810121416
1500Hz处各基元接收信号相位关系
各基元间相位基本是线性，与理论值相符。
频域波束形成0-10-20输出/dB-30-40-50-60-70-100-80-60-40-200/度20406080100
频域波束形成
与时域的波束图分析类似，频域波束图同样能确定入射波的方位角在0=30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。
改变阵元个数，取N=30，程序运行结果：
方向扫描结果（无噪声）0-10-20-30输出/dB-40-50-60-70-80-100-80-60-40-200/度20406080100
图十N=30的时域波束形成（无噪声）
频域波束形成0-10-20-30输出/dB-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-200/度20406080100
图十一N=30的频域波束形成（无噪声）
方向扫描结果（有噪声）20100-10输出/dB-20-30-40-50-60-100-80-60-40-200/度20406080100
图十二N=30的时域波束形成（有噪声）
频域波束形成0-10-20-30输出/dB-40-50-60-70-80-90-100-80-60-40-200/度20406080100
图十三N=30的频域波束形成（有噪声）
阵元数目对于波峰数目是有影响的，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，而频域图中各个尖峰之间会出现小的旁瓣，也可以起到增加通带增益抑制阻带的作用，也对确定目标方位更有益处。改变N，通过波束图比较，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，即指向性越好。 思考题：
（1）方位估计不是波束形成的唯一好处，对于发射系统，具有指向性意味着发射能量更集中与某一方向，可用更小的功率探测更远的距离；接收系统具有指向性，可使系统定向接收，抑制其他方向信号和干扰。利用接收系统的指向性可以准确测定目标方位，多波束还可分辨多个目标。另外，波束形成在测向，测距，测速，信号传递等方面都有着重要的应用。
（2）在窄带应用（一般在主动声纳中）时，常用频域波束形成；在宽带应用（被动声纳中）时，则用时延波束形成。因为相移时频率的函数，时延则可做到与频率无关。
频域波束形成通过相移补偿实现，时域波束形成通过时延补偿实现。
7.总结与心得体会
如何产生时延不同的多路信号是十分关键的一点，有了这个信号才可以继续对其进行处理。实验过程中，我尝试了很久才得出产生这种信号的方法。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。
