1.實驗?zāi)康?1)、熟悉波束形成的物理機理和根本原理，熟悉時延波束形成根本方法。(2)、練習MATLAB用于聲納信號處理的方法。2.根本原理(1)、波束形成的物理機理波束形成的目的是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)過適當處理得到在預(yù)定方向的指向性，主要內(nèi)容是多元陣如何形成指向性波束及如何控制波束指向的技術(shù)，主要包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的波束形成。發(fā)射系統(tǒng)的波束形成可以到達能量聚焦以增大探測距離及定向的目的，常見的如激光、手電筒、凸透鏡聚焦、相控陣多普勒計程儀等設(shè)備就是應(yīng)用這個原理。接收系統(tǒng)的波束形成的目的是獲得預(yù)定方向的信號以控制其他方向的信號和干擾、準確定向和在形成多個波束時分辨多個目標，像望遠鏡等就具有類似功能。發(fā)射系統(tǒng)的波束形成針對物理空間，而接收系統(tǒng)針對觀測空間。本實驗的重點是發(fā)射系統(tǒng)的波束形成。(2)、波束形成的根本原理狹義上，波束形成技術(shù)是指將按一定幾何形狀〔直線，圓柱等〕排列的多元基陣各陣元的輸出經(jīng)過處理〔例如加權(quán)、延時、求和等〕形成空間指向性的方法。在廣義上，波束形成技術(shù)是將一個多元陣經(jīng)適當處理時期對某些空間方向的聲波具有所需響應(yīng)的方法。在物理上等效于空間濾波器，可以濾去空間某些方位的信號，只讓指定方位的信號通過。對于任意陣，其波束形成分析如下：如右圖所示，以陣元0為參考點，信號到達其他各陣元的提前時間為：因此，將各陣元接收到的信號分別延時后相加，即可實現(xiàn)同向相加的輸出，在該方向的輸出幅度最大。波束形成后基陣的指向性圖如下所示：總之，波束形成的根本原理可表達為：對多元陣陣元接收信號進行時延或相移補償，使對預(yù)定方向的入射信號形成同相相加。延時求和波束形成是將各基元信號進行適當組合，假設(shè)波束形成器的時間延時與聲波入射方向相匹配時，信號產(chǎn)生等相位相加，相對于噪聲得到增強。用數(shù)字方法實現(xiàn)延遲時，延遲時間只能是采樣間隔的整數(shù)倍，即，-80-60-40-80-60-40-2002040608000.10.20.30.40.50.60.70.80.91R()未補償時延正確補償時延常規(guī)波束形成器示意圖如下所示：(3)、波束形成的計算機仿真方法1)、確定預(yù)成波束的方位；2)、結(jié)合陣元位置確定程差；3)、在不同的波束補償時延；4)、將補償程差后的信號累加；5)、求功率；6)、畫出不同波束的波束輸出結(jié)果；7)、估計方位。3.實驗內(nèi)容a、產(chǎn)生帶時延的陣元接收信號b、產(chǎn)生一定信噪比下的信號c、對信號進行補償時延d、波束輸出e、估計方位4.實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析首先對時延波束形成、頻域波束形成及DFT波束形成進行比擬：實驗程序：clc;clear;%%參數(shù)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*[10002000]/fs;bb=fir1(128,Wn,'bandpass');%帶通濾波器系數(shù)%%信號模型t=0:1./fs:T;sig00=sqrt(2).*cos(2.*pi.*f0.*t);formm=1:N;N0=round(N_delay0.*(mm-1));sig0(mm,:)=[zeros(1,Nmaxdelay.*2-N0)sig00zeros(1,Nmaxdelay.*1+N0)];endlen=length(sig0(1,:));formm=1:N;NN=normrnd(0,1,1,len);%%加噪聲noise=filter(bb,1,NN);noise=noise/std(noise);%噪聲能量歸一化noise=noise/10^(SNR/20);%噪聲與信噪比的轉(zhuǎn)化sig(mm,:)=sig0(mm,:)+noise;end%%時域波束形成tt=(0:len-1)./fs;tt1=(Nmaxdelay+1:len-1-Nmaxdelay)./fs;formm=1:length(alpha);fornn=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')ylabel('波束輸出/分貝')title('時域波束形成')gridon%%頻域波束形成vscan=exp(-j*2*pi*f0/c*px'*sin(alpha));forii=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('波束輸出/分貝')title('頻域波束形成')gridon%%DFT波束形成forii=1:NSf=fft(sig(ii,:),fs);R1(ii)=Sf(f0+1);endnfft=1024;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('波束輸出/分貝')title('DFT波束形成')gridon實驗結(jié)果;下面對時延波束形成中參數(shù)進行變化比擬：主要參數(shù)為方位角、信噪比和陣元數(shù)，上述為時〔此時及以下只需改變程序中的相應(yīng)參數(shù)，其它局部沒有變化，因此程序不再重述，只給出相應(yīng)結(jié)果〕：時：時：5.結(jié)論1、由以上各圖可以看出，波束輸出都有最大值且都在預(yù)定方位角處，即在角度上基陣的輸出最大，具有最大的自然指向性，這也就是波束形成的目的所在。2、由前三個圖形可以得到三種波束形成方法的比擬如下：相對來說，時域波束形成的主波束幅值突出較明顯，但其主波束寬度較寬，在實際應(yīng)用時會影響精確度；頻域波束形成的主波束寬度最窄，可以到達較高的角度分辨率，但其主波束在幅值上與其它波束相差不大，不宜用于幅值分辨率小的場合；DFT波束形成的主波束在幅值上與其它波束相差也不大，而且主波束寬度也較寬。3、改變方位角時〔即第一圖和第四圖〕，可以很清晰的看到在各個不同角度上的波束輸出，這就是波束形成的目的，基陣實現(xiàn)了信號的同相相加，所以在對應(yīng)方位角上的輸出響