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：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。（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(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);endfigureplot(-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=A2/2;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);endfigure 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);endfigurestem(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(theta00) 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 endR0=R1*s;yy=abs(real(R0);yy=yy./max(yy);figureplot(-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。