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1、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
2、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（MV
3、DR）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）以任意阵形的汎元阵处理來说明波束形成方法。如图1所示.以阵元0対参考点，信号到达其它各阵元的提前时间为：如k=uf I対此，将各阵元接收到的信号甘别延时G 4*“4】后相加，即可实现竖直方向信号的同相相加的输出，在该方向上输岀幅度址大。I相移波束形成法（频域）假设基元接收悟号频率为庄，图1所示各阵元相对干0号基元的相位差
4、为叭， 斤=12N-1。只需对各基元补偿相位越 = 12、N-1）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第大。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。特别的，对于等间距直线阵如图2所示九阵元间时延差为r = M =仝譽， 阵元间相位差为够二2矶 J矶笄 J3.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。
5、参数不变。4.实验结果及数据分析clc;clear all;close all;N=i nput(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-1if(theta00)for k=0:N-1tao=fix(k*d*sin(theta/180*pi)/c*fs)+1； y(k+1,1:length(t)+1
6、-tao)=x(k+1,tao:end)；endelsefor k=0:N-1tao=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)； endendsumy=sum(y)；ps(theta+91,:)=sum(sumy.*sumy)/length(sumy)；endfigure 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);
7、grid on各基元接收到的信号（无噪声）t/s时域波束形成（无噪声）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)% ps=AA2/2;ks=sqrt(ps/(100*pn);x=zeros(N,length(t); xx=A*cos(2*pi*f0*t)+ks*np;for k=0:N-1if(theta0ylabel(,时域波束形成(有噪声)t/se方向扫描结果(有噪声)由此可见加
8、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=-90:90y=zeros(size(x);if(theta0)for k=0:N-1tao=fix(k*d*sin(theta/180*pi)/c*fs )+1; y(k+1,1:length(t)+1-tao)=x(k+1,tao:end);e
9、ndelsefor k=0:N-1tao=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);endendsumy=sum(y);ps(theta+91,:)=sum(sumy.*sumy)/length(sumy);endfigureplot(-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 onfftx=fft(x,fs);pa=
10、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-1if(theta00) tao=fix(N-k-1)*d*sin(theta0)/c*fs)-1; x(k+1,-ta
11、o: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);endendR0=R1*s;yy=abs(real(R0); yy=yy./max(yy);figure plot(-alpha.*180./pi,20.*log10(yy); set(gca,FontSize,20);xlabel(the
12、ta/度);ylabel (输出/dB);title(频域波束形成)grid on1500Hz处各基元接收信号相位关系-50e/度50100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4时0，其域他波参数束不变形。成（无噪声）e方向扫描结果（有噪声）频域波束形成0/度通过比较观察，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。
