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1、南京航空航天大学硕士学位论文 I摘 要 波束形成在多波束测深中具有十分重要的作用。 它能有效地抑制干扰和噪声，大大增强信噪比即SNR。 常规波束形成原理简单，运算量小，稳健性强，易于实时实现, 然而其束宽较宽。经过学者们几十年的研究，波束形成技术得到了巨大的发展，出现了许多高分辨率的波束形成算法。 本文首先讨论了AR模型法、 Capon法、 MUSIC法和MN法四种高分辨率算法的原理，在理想的情况下分别对上述四种算法作了计算机仿真，通过比较，高分辨率算法的束宽比常规波束形成法窄得多；然后结合实际运用时的情况，重点探讨了延时失配、时域抽样、平面波假设和基阵的幅相不一致对波束形成的影响并做了计算机
2、仿真。通过比较，高分辨率算法在考虑上述情况后，波束方向出现偏差，束宽被展宽，幅度有很大的衰减，性能明显下降；而常规波束形成算法的性能较稳定，延时失配、时域抽样、平面波假设和基阵的幅相不一致对其造成的影响不大。因而得出结论：高分辨率波束形成算法虽然有着优越的性能，但若要在实际中使用，将要解决相当多的问题。最后，介绍了多波束测深系统中发射机的原理样机电路设计与实现，硬件研制分为三个模块进行, 分别是信号发生模块、 系统控制器和功放模块， 文章分别讨论了各个模块的工作原理和实现方案。 关键词:关键词: 阵列信号处理, 波束形成, Capon, MUSIC, 仿真 多波束测深关键技术研究 II Abs
3、tract Beamforming takes an important role in the multi-beam bathymetric. It can improve the signal-to-interference-plus-noise ratio(SNR) while canceling the interference and noise. The principle of conventional beamforming method(CBF) is simple. The operand is small. The steadiness is strong and it
4、can be easily real-time realized. However its wave beam width is wide. After scholars several dozens years research, the beamforming technology obtained a huge development. Many high resolution beamforming algorithms have appeared. This article discussed AR modeling method, Capon method, MUSIC metho
5、d and MN method four kinds of high resolution algorithms principle and has separately made the computer simulation in the ideal situation to the above four algorithms. Through the comparison, the beam width of high resolution algorithm is much narrower than conventional beamforming method. Then unif
6、ies the actual utilization, discussed the influence of time delay unbalance, time domain sampling, plane wave supposition and array element with scope and phase not identically to the beamforming and made the computer simulation. After consideration the above situation, the performance of high resol
7、ution algorithm drops is very fierce.The beam direction has the deviation. The beam width is stretched. The algorithm performance has the very big weaken. But the convention beamforming algorithm performance is stabler, time delay unbalance, time domain sampling, plane wave supposition and array ele
8、ment the influence which creates to it is not big. Thus draws the conclusion, the high resolution beamforming algorithm although has the superior performance, there are quite many problems before it is actual used. Finally, introduces the electric circuit realization of the transmitter principle pro
9、totype in the multi-beam bathymetric system.The hardware development divides into three modules to carry on, respectively was the module of signal occurrence, the central controller and the the module of power enlargement, the article separately discussed each module principle of work and the realiz
10、ation plan. . Keywords: Array Signal Processing, Beamforming, Capon, MUSIC, Simulation 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论
11、文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 V图表目录 图 1.1 多波束条带测深系统工作原理示意图. 6 图 1.2 多波束系统基本组成. 7 图 1.3 声学系统基本组成. 7 图 2.1 等间隔直线阵. 16 图 2.2 /d为不同正整数时 8 阵元等间隔直线阵的方向图. 17 图 2.3 加窗后 8 阵元等间隔线阵的波束图. 19 图 3.1 SNR=1 时各算法的方向图. 28 图 3.2 SNR=10 时各算法的方向图. 30 图 4.1 SNR=1 时 8 阵元 1MHZ采样率时各算法的方向图 . 35 图 4.2 SNR=1
12、0 时 8 阵元 1MHZ采样率时各算法的性能 . 37 图 4.3 SNR=10 时 8 阵元 2MHZ采样率时各算法的方向图 . 39 图 4.4 SNR=10 时 16 阵元 1MHZ采样率时各算法的方向图 . 41 图 4.5 均匀直线阵球面波传输下的空间结构. 43 图 4.6 SNR=10 时平面波假设影响下各算法的方向图. 46 图 4.7 基阵单元的幅相不一致时各算法的方向图. 51 图 5.1 多波束测深系统发射机的框图. 54 图 5.2 基本 DDS 结构. 55 图 5.3 信号发生模块原理框图. 57 图 5.4 产生 80 路时钟信号示意图. 58 图 5.5 D 类功放原理框图. 59 图 5.6 功放模块原理框图. 60 图 5.7 全桥功放电路.
