聲納技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告三

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)、熟悉波束形成的物理機(jī)理和根本原理，熟悉時(shí)延波束形成根本方法。(2)、練習(xí)MATLAB用于聲納信號(hào)處理的方法。2.根本原理(1)、波束形成的物理機(jī)理波束形成的目的是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)過(guò)適當(dāng)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(dá)能量聚焦以增大探測(cè)距離及定向的目的，常見(jiàn)的如激光、手電筒、凸透鏡聚焦、相控陣多普勒計(jì)程儀等設(shè)備就是應(yīng)用這個(gè)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(hào)以控制其他方向的信號(hào)和干擾、準(zhǔn)確定向和在形成多個(gè)波束時(shí)分辨多個(gè)目標(biāo)，像望遠(yuǎn)鏡等就具有類似功能。發(fā)射系統(tǒng)的波束形成針對(duì)物理空間，而接收系統(tǒng)針對(duì)觀測(cè)空間。本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)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(guò)處理〔例如加權(quán)、延時(shí)、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(gè)多元陣經(jīng)適當(dāng)處理時(shí)期對(duì)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(hào)，只讓指定方位的信號(hào)通過(guò)。對(duì)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(diǎn)，信號(hào)到達(dá)其他各陣元的提前時(shí)間為：因此，將各陣元接收到的信號(hào)分別延時(shí)后相加，即可實(shí)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(dá)為：對(duì)多元陣陣元接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)延或相移補(bǔ)償，使對(duì)預(yù)定方向的入射信號(hào)形成同相相加。延時(shí)求和波束形成是將各基元信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)組合，假設(shè)波束形成器的時(shí)間延時(shí)與聲波入射方向相匹配時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生等相位相加，相對(duì)于噪聲得到增強(qiáng)。用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)，延遲時(shí)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(bǔ)償時(shí)延正確補(bǔ)償時(shí)延常規(guī)波束形成器示意圖如下所示：(3)、波束形成的計(jì)算機(jī)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(bǔ)償時(shí)延；4)、將補(bǔ)償程差后的信號(hào)累加；5)、求功率；6)、畫(huà)出不同波束的波束輸出結(jié)果；7)、估計(jì)方位。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a、產(chǎn)生帶時(shí)延的陣元接收信號(hào)b、產(chǎn)生一定信噪比下的信號(hào)c、對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)延d、波束輸出e、估計(jì)方位4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析首先對(duì)時(shí)延波束形成、頻域波束形成及DFT波束形成進(jìn)行比擬：實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果;下面對(duì)時(shí)延波束形成中參數(shù)進(jìn)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(shí)〔此時(shí)及以下只需改變程序中的相應(yīng)參數(shù)，其它局部沒(méi)有變化，因此程序不再重述，只給出相應(yīng)結(jié)果〕：時(shí)：時(shí)：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(gè)圖形可以得到三種波束形成方法的比擬如下：相對(duì)來(lái)說(shuō)，時(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)影響精確度；頻域波束形成的主波束寬度最窄，可以到達(dá)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(chǎng)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(shí)〔即第一圖和第四圖〕，可以很清晰的看到在各個(gè)不同角度上的波束輸出，這就是波束形成的目的，基陣實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同相相加，所以在對(duì)應(yīng)方位角上的輸出響