声纳技术实验报告三

1.实验目的(1)、熟悉波束形成的物理机理和根本原理，熟悉时延波束形成根本方法。(2)、练习MATLAB用于声纳信号处理的方法。2.根本原理(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到达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，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)、波束形成的根本原理狭义上，波束形成技术是指将按一定几何形状〔直线，圆柱等〕排列的多元基阵各阵元的输出经过处理〔例如加权、延时、求和等〕形成空间指向性的方法。在广义上，波束形成技术是将一个多元阵经适当处理时期对某些空间方向的声波具有所需响应的方法。在物理上等效于空间滤波器，可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。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，信号到达其他各阵元的提前时间为：因此，将各阵元接收到的信号分别延时后相加，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，波束形成的根本原理可表达为：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，假设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，延迟时间只能是采样间隔的整数倍，即，-80-60-40-80-60-40-2002040608000.10.20.30.40.50.60.70.80.91R()未补偿时延正确补偿时延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DFT波束形成进行比拟：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*[10002000]/fs;bb=fir1(128,Wn,'bandpass');%带通滤波器系数%%信号模型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);%%加噪声noise=filter(bb,1,NN);noise=noise/std(noise);%噪声能量归一化noise=noise/10^(SNR/20);%噪声与信噪比的转化sig(mm,:)=sig0(mm,:)+noise;end%%时域波束形成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('波束输出/分贝')title('时域波束形成')gridon%%频域波束形成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('波束输出/分贝')title('频域波束形成')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('波束输出/分贝')title('DFT波束形成')gridon实验结果;下面对时延波束形成中参数进行变化比拟：主要参数为方位角、信噪比和阵元数，上述为时〔此时及以下只需改变程序中的相应参数，其它局部没有变化，因此程序不再重述，只给出相应结果〕：时：时：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处，即在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拟如下：相对来说，时域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，可以到达较高的角度分辨率，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