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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、准确定向和在形成多个波束时 分辨多个目标
2、，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。2(直线， 如加权、 波束形 方向的 器，可以 过。各阵元(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 圆柱等)排列的多元基阵各阵元的输出经过处理(例 延时、求和等)形成空间指向性的方法。在广义上， 成技术是将一个多元阵经适当处理时期对某些空间 声波具有所需响应的方法。在物理上等效于空间滤波 滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通对于任意阵，其波束形成分析如下：如右图所示，以阵元0为参考点，信号到达其他 的提前时间为：叩2,具N-1因此，将各阵元
3、接收到的信号分别延时叩2广.具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T只能是采样间隔的整数倍，即d sin 0 ,t = k =o, 0 = arcsin(k Ac / d), k = 0, 1, 2,.,采样间隔，0.90.80.70.60.5R( 0)0.40.
4、30.20.1正确补偿时延未补偿时延I I110 -80-60-40-2020406080波束形成器输出为：b（n,k） = 0 1 wx（n一ik）, k = 0,1,2,i=0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DF
5、T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).*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
6、;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 mm=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/10A(SNR/20);sig(mm,:)=si
7、g0(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,:)=interp1(tt,sig0(nn,:),tt1-tc0);endsss(mm,:)=sum(ss,1);sout(mm)=std(sss(mm,:);endfigureplot(alpha.*180./pi,20.*log10(sout./max(sout)xlabel(方位角/度)y
8、label(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:NSf=fft(sig(ii,:),fs);R1(ii)=Sf(f0+1);endR0=R1*vscan;yy=abs(real(R0);yy=yy./max(yy);figureplot(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:NSf=fft(sig(ii,:),fs);R1
9、(ii)=Sf(f0+1);endnfft=1024;word格式-可编辑-感谢下载支持Beam_DFT=fftshift(abs(fft(R1,nfft);Beam_DFT=20*log10(Beam_DFT./max(Beam_DFT);nn1=nfft/2+1:nfft,1:nfft/2;angle = asin(lamda/D*-nfft/2:nfft/2-1/nfft)*180/pi;figureplot(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-5-10-15-20-25
10、-30-35-40-100-80-60-40-20020406080100方位角渡贝分亩输束波贝分亩输束波贝分亩输束波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SNR和阵元数N，上述为00 = 50。，SNR = 20，N = 210 = 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，word格式-可编辑-感谢下载支持因此程序不再重述，只给出相应结果）：-30-35-40-100-80-60-40-20020406080100方位角渡时域波束形成-505 0 512 2 - - -贝分亩输束波9 0 = 30, SNR
11、= 0, N = 21 时:时域波束形成-5-10-15-20-25-30-35-40-100-80-60-40-20020406080100方位角/度9 = 30。，SNR = 0, N = 40 时:-5-10-15-20-25-30-35-40word格式-可编辑-感谢下载支持时域波束形成-45-100-80-60-40-20020406080100方位角渡贝分亩输束波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
12、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，基阵实现了信号的同相相加，所以在对应方位角上的输出响应最大。4、改变输入信号的信噪比时（即第四图和第五图），可以看出波束输出变化很小，这是因为 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。5、改变阵元数时（即第五图和第六图）：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。这也说明阵元数越多，基阵的性能就越好。
