1、實驗3 均勻間距線列陣波束形成器姓 名：逯仁杰班 級：20120001（12級陳賡1班）學 號：20120111121.實驗目的通過本實驗的學習，加深對聲納技術中波束形成和方位估計的概念理解，理解聲納信號處理的基本過程，為今后聲納信號處理的工作和學習建立概念、奠定堅實的基礎。2.實驗原理 波束形成器的本質是一個空間濾波器。當對基陣各基元接收信號作補償處理，使得各基元對某個特定方向上的信號能夠同相相加，獲得一個最大的響應輸出（幅度相加）；相應的各基元對其它方向的信號非同相相加，產生一定的相消效果的響應輸出（對于各基元噪聲相互獨立的情況時功率相加）。這就是波束形成的工作原理。 常用的波束形成方法主

2、要有時延波束形成法和頻域波束形成法。在此基礎上針對不同的陣形、設計要求以及背景噪聲特性下還發展了許多波束形成算法。針對不同的陣形時的波束形成方法是指依賴于陣形的特殊性（如直線陣、圓陣、體積陣等）而得到的波束形成算法：如直線陣波束形成法、圓陣波束形成法，體積陣波束形成法等。 針對不同的設計要求也衍生出多種新型的波束形成算法。當對不同的頻率響應要求相同的波束寬度時有恒定束寬波束形成法，當對波束的旁瓣級有要求時可采用切比雪夫加權波束形成法。當要求對陣列誤差具有寬容性響應時失配條件下的波束形成器6,362-382。如果利用噪聲干擾的統計特性有高分辨最小方差無畸變響應（MVDR）波束形成法，線性約束最小

3、方差（LCMV）波束形成法，線性約束最小功率（LCMP）波束形成法，自適應波束形成法等。 但不管是何種波束形成方法，其目的均是在干擾背景下獲取某個方向的信號或估計信號的方位。下面僅給出時延波束形成和相移波束形成的基本原理。時延波束形成法（時域）相移波束形成法（頻域）3.實驗內容（1）仿真等間距直線陣基元接收信號，對所接收信號進行延時波束形成，估計目標方位；分析波束形成性能。 參數：陣元數 16，中心頻率1500Hz，帶寬500Hz，信號脈寬20ms，信噪比20dB。（2）采用頻域波束形成方法對所接收信號進行波束形成，估計目標方位，分析波束形成性能。參數不變。4. 實驗結果及數據分析clc;cl

4、ear all;close all; N=input('請輸入陣元數:');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('請輸入目標方位角（角度）:');theta0=theta0/180*pi;x=zeros(N,length(t);for k=0:N-1 if(theta0<0) tao=fix(N-k-1)*d*sin(theta0)/c*fs)-1; x(k+1,-tao:end)=A*sin(2*pi*f

5、0*t(1:length(t)+1+tao); else tao=fix(k*d*sin(theta0)/c*fs)+1; x(k+1,tao:end)=A*sin(2*pi*f0*t(1:length(t)+1-tao); end endplot(x');set(gca,'FontSize',20);title('各基元接收到的信號（無噪聲）');xlabel('t/s'),ylabel('A/v'); for theta=-90:90 y=zeros(size(x); if(theta>0) for k=0:N-

6、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);

7、set(gca,'FontSize',20);title('時域波束形成（無噪聲）');xlabel('theta/度');ylabel('輸出/dB');grid on取基元為16，入射角為30度，也的確在30度輸出最大。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)

8、;xx=A*cos(2*pi*f0*t)+ks*np;for k=0:N-1 if(theta0<0) tao=fix(N-k-1)*d*sin(theta0)/c*fs)-1; x(k+1,-tao:end)=xx(1:length(t)+1+tao); else tao=fix(k*d*sin(theta0)/c*fs)+1; x(k+1,tao:end)=xx(1:length(t)+1-tao); end endfigureset(gca,'FontSize',20);plot(x');title('時域波束形成（有噪聲）');xlabel

9、('t/s'),ylabel('A/v'); 由此可見加過噪聲的信號與SNR=0dB時波束輸出圖差別不大，都為入射角30度時幅值最大，因為波束輸出圖所反映的是基陣的性質，基陣本身的參數沒有改變自然不會對輸出波形造成影響。改變SNR的值只能使得相同條件下信噪比高的信號輸出的波形圖在30度處的響應比在其它角度處的響應強度會比信噪比低的大，這樣更有利于目標方向信號的判斷。 for theta=-90:90 y=zeros(size(x); if(theta>0) for k=0:N-1 tao=fix(k*d*sin(theta/180*pi)/c*fs )+1

10、; 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('the

11、ta方向掃描結果（有噪聲）');xlabel('theta/度');ylabel('輸出/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處各基元接收信號相位關系');ylabel('phi');px=(0:N-1).*

12、d;alpha=(-90:90)*pi./180;s=exp(-j*2*pi*f0/c*px'*sin(alpha);for k=0:N-1 if(theta0<0) 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,:),f

13、s); 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('輸出/dB');title('頻域波束形成')grid on可見各基元間相位基本是線性，頻域波束圖同樣能確定入射波的方位角在30度處。因為頻域的相位補償與時域的時延補償作用類似，都使各基元接收實現了同相相加，獲得最大的幅值。現將基元數變更為40，其他參數不變。通過比較觀察，可以發現，時域波束形成圖中的尖峰數即為陣元個數減一，即N-1個，頻域圖中各個尖峰之間會出現小的旁瓣，可以起到增加通帶增益抑制阻