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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（MVDR）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）相移波束形成法（频域）3.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。
波束形成器
波束形成器是一种优化的、可靠的电磁设备，它的主要作用是用于通信中信号的接收和发射。
它的应用涉及到航空航天、射频、电磁分析测量等多个领域。
①波束形成器的作用
波束形成器的主要作用是将信号进行接收和发射，使用它可以在电磁领域中进行信号分析。
波束形成器也能够抑制电磁干扰、噪声，进而从更低信噪比的差异中提取有意义的信息，提高信号接收和发射的效率。
②波束形成器的主要原理
波束形成器通常采用电磁磁场的叠加的矩形波形进行发射，因此其发射的方向固定，使得信号可以向指定的方向发射。
波束形成器的接收时，信号将集中到一定方向，使得信号接收率更高，同时有效地抑制外界干扰和噪声。
③波束形成器的应用
波束形成器在航空航天、射频、电磁分析测量等多个领域都有着广泛的应用，例如在航空航天行业，可以将其应用于航天器和飞艇之间的远距离信息传输，充分利用高能球体等技术可以有效地提高传输的稳定性和信号的传输距离；在射频方面可用于公基射频系统、电信2G、3G和4G系统的信号通信；在电磁分析测量行业则可以用于电弧场的测试和探测。
④波束形成器的优势
波束形成器的优势在于其良好的信号接收和发射的能力，采用多普勒频移的原理可以更好地减少接收信号存在的噪音和干扰并且提高信息传输的稳定性，从而提升信号质量，还能抑制外部干扰和噪声，从而降低错误率。
此外，波束形成器还具有灵活性强、缩小发射角度和结构紧凑等优势，使得它们在各行各业中越来越受到人们的青睐。
DOI:10.3969/j.issn.1009 3486.2011.02.020线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法收稿日期:2010 09 28;修回日期:2010 10 30。
作者简介:李 琴(1981-),女,博士生,主要研究方向为探测与制导技术,E mail:liqin2000611@ 。
李 琴1,苑秉成1,林 伟1,张文娟2(1.海军工程大学兵器工程系,武汉430033; 2.海军兵种指挥学院模拟训练中心,广州510430)摘 要:声纳处理超宽频带信号时,往往需要较多的阵元以保证低频端有足够大的阵列孔径。
阵元个数的增多,必然加重系统设计负担和处理负担。
针对上述困难,设计了线性组合阵列,将宽带信号按照频率倍数关系分成多个倍频程子带信号,对不同的子带使用相应的子阵进行接收。
为避免栅瓣的出现,子阵阵元间距取为子带最高频率对应波长的一半。
各子阵中心位于同一点,这样不同子阵可以共用某些阵元,减小了系统处理的通道数。
各子阵采用低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法。
通过改变采样率,各子阵共用设计出的滤波器组,从而降低了处理器算法的运算量,实现了全频段低旁瓣恒定束宽波束形成器的设计。
最后,进行了仿真,验证了算法的有效性。
关键词:线列组合阵;恒定束宽;低旁瓣;波束形成器中图分类号:T J630 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2011)02-0094-04Realization of wideband constant beamwidth beamformer bylinear combined arrayLI Qin 1,YU AN Bing cheng 1,LIN Wei 1,ZH ANG Wen juan 2(1.Dept.o f Weaponry Eng ineer ing,Naval U niv.o f Eng ineer ing,Wuhan 430033,China;2.T raining Simulation Center ,Naval Arms Com mand Academy,Guangzhou 510430,China)Abstract:When the sonar deals w ith w ideband signals,many elements are often needed to g uarantee enough arr ay aperture at the botto m frequency.W ith the number of elements increased,mo re difficul ties w ill appear in the desig n and disposal of the system.In order to so lve the above problems,the li near combined array w as designed.T he w ideband sig nal w as splitted into several octav e bandw idth subbands in term of diploid frequency ,and each subband w as received by the cor respo nding subarray.To avoid the grating lo be,the space betw een elements of each subarr ay w as set as half w av elength of upmost frequency in each subband.T he center o f each subar ray w as the sam e point,so the different subarr ay s could share some elem ents w hich reduced the channels.Each subar ray w as designed fo r low sidelobe co nstant beamw idth beamform er in time dom ain.T he sampling frequency changes with the subarr ay ,w hich m akes the computational lo ad much low er by using the designed filters thus to re alize the design of wideband lo w sidelobe constant beamw idth beamformer.Finally,the validity of methods mentioned w as verified by simulating on computer.Key words:linear com bined array;constant beam w idth;low sidelo be;beamformer主被动声纳中,宽带信号的无失真接收对诸如目标识别、参数估计和波形分析等声纳的后置处理至关重要[1]。
哈尔滨工程大学声纳技术实验报告实验2：均匀间距线列阵指向性图姓名：班级：20100513学号：2013年4月17日1.实验目的通过本实验的学习，使学生加深对《声纳技术》中基阵自然指向性概念的理解，学会分析基阵自然指向性如何评价、与哪些参数有关系，为今后声纳信号处理中波束形成的学习奠定基础2.基本原理均匀间距线列阵的指向性函数表达式如下：其中， f 表示信号频率，θ表示基阵响应信号的方位，N 表示基阵的阵元个数，d表示阵元间距，c表示声传播速度，θ0表示各阵元间插入的相移。
3.实验内容3.1实验条件：（1）画出均匀间距线列阵的自然指向性图，分析主波束宽度、第一副极大位置、第一副极大级、零点个数，与理论值比较；参数：阵元数为 30，阵元间距为半波长，信号中心频率为f=1.5kHz，声速为c =1500 m/s 。
（2）分析均匀间距线列阵指向性图的性能与各参数的关系。
波束宽度、极大值之间零点个数及零点间隔与线列阵阵元数的关系，与理论值是否一致；中心非模糊扇面宽度与阵元间距的关系；中心非模糊扇面内的独立波束数与阵元数的关系，与阵元间距的关系。
（3）通过理论计算阵元间距为d=/3，中心频率分别为f =1kHz和f=100kHz 时主瓣宽度均为 20 度的参数，并画出指向性图，分析其差别。
4.实验结果及数据分析（N=30）理论上两个极大值之间有N-1个零点，画出来的图也是有29个零点。
经分析主波束宽度、第一副极大位置、第一副极大级与理论值是一样的。
经分析主波束宽度与理论是一样的，但是第一副极大位置、第一副极大级与理论值是不一样的；理论上两个极大值之间有N-1个零点，但是画出来的图只有11个零点。
但是当d为半波长时零点为N-1个，这个原因没能解决。
5.结论本实验中，通过MATLAB建立了基阵自然指向性的模型，我得到了关于基阵自然指向性特点的结论。
我发现当基元间距为半个波长时，两个极大值之间有N-1个零点，而且主波束宽度、第一副极大位置、第一副极大级与理论是一样的。
关于恒定束宽波束形成的研究摘要：波束形成是阵列信号处理的一个重要组成部分，已经形成了比较完整的处理理论方法。
波束形成最重要的目的是定向，当信号传播到各阵元时,由于声程差的缘故，每个阵元接收到的信号是有差异的。
本文主要总结了宽带信号波束形成的算法，并进行了仿真验证。
关键词：波束形成；恒定束宽1.前言早期的声纳系统大多处理的是窄带信号，窄带信号处理对硬件要求较低，分析方法也比较简单。
窄带波束形成器的处理过程，即对各个阵元的输出信号做复数加权，以调整各阵元接收信号的幅度和相位，再求和，即可得到波束形成器的输出。
对于一个M阵元的间隔为d的线列阵，目标辐射信号为波长为的窄带信号，目标与线列阵法线方向成角度。
当基阵采用均匀加权时，基阵的归一化方向性函数为：从表达式2可看出，主瓣宽度是阵元数M、阵元间距d和波长的函数，因此在一定的频段范围内，要使波束宽度恒定，就必须满足：(3)显然，要满足上述条件，就要使Md（线列阵的总长度）随信号频率作相应变化，以保证是一个定值，这可以通过变化M或d来实现。
由此可见，恒定束宽波束形成是采用某种方法使得不同信号频率分量所形成的波束图与频率无关，所以它能无失真的接收或发射宽带信号。
如果阵元足够密，且频带内信号频率是连续线性变化的，那么随频率增加逐渐增加阵列边缘的零权系数，使不参加工作的阵元数目随频率升高而增加，这样就能较近似地满足恒定束宽的要求。
若不改变阵元数目而改变阵元间距，同样可以达到预期的目的。
2. 恒定束宽波束形成的两种设计方法恒定束宽波束形成可以通过改变基阵各阵元加权系数来实现，下面介绍基于这一原理的两种设计方法[4]：2.1 最小二乘法-随频率变化改变阵元加权系数若我们以带宽内某一频率的波束主瓣宽度为准，则带宽内的任一频率，原则上是可以设计一组随频率变化的加权系数，从而得到与基准频率相同的波束主瓣宽度。
对基准频率w0，若其方向性函数为：为了实现恒定束宽，应满足。
对于不同的角度，可以得到一组方程组，用最小二乘法[42]来解此方程组就可得到不同频率w下的加权系数。
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（MVDR）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）。
![4．发射波束形成技术_数字音频原理与检测技术_[共2页]](https://img.taocdn.com/s1/m/d8361b813c1ec5da51e27016.png)
4．发射波束形成技术（1）相控波束形成技术相控波束形成技术是基于相位补偿的原理。
图2.5.36所示为等间隔的12个基元线阵列，当给12个换能器基元加上同频、同相并且幅度相同的电信号时，由波束形成理论可知，在声呐的中心工作频率上，基阵法线方向上的任意观测点（满足远场条件）各换能器基元发射的声信号会同相叠加，声压值最大。
而在其他方向上由于有声压差，不可能进行同相叠加，因而声压差较小。
若希望主瓣出现在α1方向上，则基阵中各发射换能器基元发出的声波应在α1方向上产生声压的同相叠加。
由图2.5.36可知，在α1方向远场观测点处，从各个基元发出的信号出现了声程差，可以表现为相应的时间差（宽带信号）或相位差（窄带信号）。
若以12号基元为参考基元，则声程差分别为l i （i =1,2,…,11），表示第i 号基元发出的信号比第12号基元发出的信号少走的路程。
对于单频信号来说，可将声程差转化成各个基元间的相位差。
第i 号基元和参考基元的相位差为i 12(12)sin i i l i d a c φωτωλπ===− （2.5.16） 式中：l i 为第i 号基元发出的声波比第 12 号基元发出声波少走的路程，i τ为第i 号基元发出的声波比第12号基元发出的声波少用的时间，i φ为第i 号基元发出的声波比第12号基元发出的声波超前的相位角，d 为两相邻基元之间的距离。
假设能够采用一定的措施，在激励信号上补偿上述声程差，依次使第i 号基元滞后于第12号基元一个相位差。
这样就能够使得各个发射基元发射的信号在α1方向上实现同相叠加，于是基阵的发射方向性主瓣就出现在α1方向上，从而达到不转动基阵就能够把波束旋转到α1方向上的目的。
显然相控波束形成方法对声能辐射指向性的控制较为灵活，并能够改善声波在非指向方向上的辐射泄漏，但这种方法的实现较为复杂，需要精确调整每个阵元发射信号的相位和幅度。
（2）幅度加权波束形成技术幅度加权波束形成技术是对发射阵各个阵元的幅度进行加权，以改善发射阵的方向性，例如改善主瓣的半功率角宽度和主旁瓣的相对幅度等。
一种实现均匀线列阵恒定束宽的方法
吕丹丹
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2024(47)2
【摘要】当基阵接收信号为宽带时,若采用常规宽带波束形成,不同频率上波束图不同,频率越高,波束宽度越窄。
当信号从波束主瓣内非主轴方向入射时,输出波形会发生失真,直接影响到后续的一系列功能,如系统估计波形、识别目标特性等。
该问题
的基本解决方法是,设计恒定束宽波束形成器,使基阵系统对不同频率的输入信号具
有相似的波束图。
研究了一种应用于均匀线列阵的恒定束宽控制方法——空间重
采样法,仿真结果表明,在一定的带宽内,系统能够实现恒定束宽,证明了该方法的有效性。
此外,仿真实现了空间重采样恒定束控算法在频域宽带波束形成系统中的应用。
在频域宽带波束形成时,利用重叠保留法,解决了数据块之间相位不连续的问题。
对
于系统频带范围外的频点,采用置极小数处理的方法,抑制带外干扰,提高了结果的精确度。
【总页数】6页(P93-97)
【作者】吕丹丹
【作者单位】中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7
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5.线列阵多倍频程宽频带恒定束宽的实现
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4单元均匀线阵自适应波束形成图clearclcformat long;v=1;M=4;N=1000;f0=21*10^3;f1=11*10^3;f2=15*10^3;omiga0=2*pi*f0;omiga1=2*pi*f1;omiga2=2*pi*f2;sita0=0.8; %信号方向sita1=0.4; %干扰方向1sita2=2.1; %干扰方向2for t=1:Nadt(t)=sin(omiga0*t/(N*f0));a1t(t)=sin(omiga1*t/(N*f1));a2t(t)=sin(omiga2*t/(N*f2));endfor i=1:Mad(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita0));a1(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita1));a2(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita2));endR=zeros(M,M);for t=1:Nx=adt(t)*ad+a1t(t)*a1+a2t(t)*a2; %阵列对信号的完整响应R=R+x*x';%信号的协方差矩阵endR=R/N;miu=1/(ad'*inv(R)*ad);w=miu*inv(R)*ad;for sita=0:pi/100:pifor i=1:Mx_(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita));endy(1,v)=w'*x_;v=v+1;endy_max=max(y(:));y_1=y/y_max;y_db=20*log(y_1);sita=0:pi/100:pi;plot(sita,y)Xlabel（‘sitaa’）Ylabel（‘天线增益db’）4单元均匀线阵自适应波束形成目标clearclcformat long;v=1;M=4;阵元数N=100;f0=21*10^3;omiga0=2*pi*f0;sita0=0.6;%信号方向for t=1:Nadt(t)=sin(omiga0*t/(N*f0));endfor i=1:Mad(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita0)); endR=zeros(4,4);r=zeros(4,1);for t=1:Nx=adt(t)*ad;R=R+x*x.';endR=R/N;miu=1/(ad.'*inv(R)*ad);w=miu*inv(R)*ad;for sita=0:pi/100:pi/2for i=1:Ma(i,1)=exp(j*(i-1)*pi*sin(sita));endy(1,v)=w.'*a;v=v+1;endsita=0:pi/100:pi/2;plot(sita,y)xlabel('sita')ylabel('天线增益’)这是程序全部，有的比较简单的部分就可以省事的，如果解释的好，再加分的，大大的。
稳健波束域MVDR高分辨算法作者：魏涛沈文苗来源：《声学与电子工程》2021年第01期摘要针对阵列失配误差情况下阵元域最小方差无失真响应（Minimum Variance Distortionless Response， MVDR）分辨能力下降以及运算量大的问题，研究了两种稳健波束域MVDR（BMVDR）高分辨算法。
兩种算法分别在Capon加权向量范数约束法（Norm Constrained Capon Beamformer，NCCB）和稳健Capon波束形成器（Robust Capon Beamformer，RCB）的框架下，引入波束域降维处理，减小计算量的同时提高算法稳健性。
仿真实验表明，在误差情况下波束域RCB（BRCB）和波束域NCCB（BNCCB）具有高分辨性能，且运算时间更少，易于工程实现。
仿真验证了BRCB、BNCCB和BMVDR三种算法在不同误差情况下的稳健性。
关键词波束域；高分辨；范数约束；稳健性用声基阵探测目标时，传统的方法采用常规波束形成（Conventional BeamForming，CBF），但是它的方位估计精度和分辨能力较差，特别是在低信噪比下，当多个目标方位互相靠近时，CBF算法的分辨能力就显得很有限。
针对这一局限性，Capon于1969年提出了具有良好的分辨能力的MVDR波束形成器[1]，但是该算法对阵列失配敏感，在阵列校准失配、快拍数少等情况下，性能严重下降。
现在已有许多方法来提高MVDR算法的稳健性[2-7]，其中包括NCCB和RCB[4]，它们都属于对角加载法。
NCCB根据阵列失配程度利用加权范数约束来自适应地求解加载量；RCB利用阵列导向矢量的不确定集求解加载量。
然而NCCB和RCB在运算过程中计算量都较大，在实际工程中难以应用。
为了降低计算量，文献[8]提出在RCB框架下的Krylov子空间降维技术，以实现低复杂度且快速收敛的稳健自适应波束形成器。
文献[9]提出通过划分子阵的方式来进行降维处理，以牺牲一定的分辨率来减小算法的复杂度，具有一定的工程应用价值。
均匀线列阵时域宽带波束形成方法研究
苏为;黄建国;连明
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2009(026)001
【摘要】时域宽带恒定束宽波束形成技术一般采用特殊频率响应的FIR滤波器组实现对不同频率的加权.对水下常用的均匀线列阵,利用切比雪夫方法设计了形成宽带恒定束宽波束的权值.通过对切比雪夫方法设计权值特性的分析,推导出实现加权的FIR滤波器组的相位响应关系式.根据推导结果得出设计的FlR滤波器组应为一组斜率不同的线性相位响应FIR滤波器.推导了滤波器组相位响应的计算公式.给出三种特殊频率响应FIR滤波器设计算法.通过仿真结果比较了三种方法设计的用于实现均匀线列阵恒定束宽加权的FIR滤波器组的性能.
【总页数】4页(P317-319,351)
【作者】苏为;黄建国;连明
【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;海军飞行学院,辽宁,葫芦岛,125001
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
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![一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/0fcb332454270722192e453610661ed9ac515553.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010104803.7(22)申请日 2020.02.20(71)申请人 山东大学地址 264209 山东省威海市文化西路180号(72)发明人 严发宝 王玉玺 路光 陈耀 武昭 苏艳蕊 王冰 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限公司 37221代理人 李琳(51)Int.Cl.H01Q 3/26(2006.01)(54)发明名称一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统(57)摘要本公开公开了一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统，包括：根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数；基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度；对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵；通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。
解决宽带波束形成中由于波束扫描所产生的栅瓣问题，适用于均匀线阵，且不受天线尺寸和形式的影响。
权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 111293438 A 2020.06.16C N 111293438A1.一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法，其特征在于，包括：根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数；基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度；对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵；通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。
2.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，每个频点不出现栅瓣的扫描角度θi 为：|sin θi |≤(λi -d)/d，其中，λi 为不同频点对应的半波长，d为阵元的间距。
线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法李琴;苑秉成;林伟;张文娟【期刊名称】《海军工程大学学报》【年(卷),期】2011(023)002【摘要】声纳处理超宽频带信号时,往往需要较多的阵元以保证低频端有足够大的阵列孔径.阵元个数的增多,必然加重系统设计负担和处理负担.针对上述困难,设计了线性组合阵列,将宽带信号按照频率倍数关系分成多个倍频程子带信号,对不同的子带使用相应的子阵进行接收.为避免栅瓣的出现,子阵阵元间距取为子带最高频率对应波长的一半.各子阵中心位于同一点,这样不同子阵可以共用某些阵元,减小了系统处理的通道数.各子阵采用低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法.通过改变采样率,各子阵共用设计出的滤波器组,从而降低了处理器算法的运算量,实现了全频段低旁瓣恒定束宽波束形成器的设计.最后,进行了仿真,验证了算法的有效性.【总页数】5页(P94-97,112)【作者】李琴;苑秉成;林伟;张文娟【作者单位】海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军工程大学兵器工程系,武汉430033;海军兵种指挥学院模拟训练中心,广州510430【正文语种】中文【中图分类】TJ630【相关文献】1.基于虚拟成阵技术的线列阵恒定束宽的波束形成 [J], 陶林伟;王英民;王成2.一种用时变FIR滤波器实现宽带恒定束宽波束形成器的方法 [J], 邱宏安;闫雷;罗超3.多波束宽带恒定束宽波束形成器的DSP实现 [J], 王英哲;杨益新;张忠兵4.嵌套复合阵恒定束宽波束形成的多率实现方法 [J], 蔡利平;贺春林5.基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器的原理与设计 [J], 王大成;郭丽华;丁士圻因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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（MVDR）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）相移波束形成法（频域）3.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。
参数不变。
4.实验结果及数据分析clc;clear all;close all;N=input('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(theta0<0)tao=fix((N-k-1)*d*sin(theta0)/c*fs)-1;x(k+1,-tao:end)=A*sin(2*pi*f0*t(1:length(t)+1+tao));elsetao=fix(k*d*sin(theta0)/c*fs)+1;x(k+1,tao:end)=A*sin(2*pi*f0*t(1:length(t)+1-tao));endendplot(x');set(gca,'FontSize',20);title('各基元接收到的信号（无噪声）');xlabel('t/s'),ylabel('A/v');for theta=-90:90y=zeros(size(x));if(theta>0)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);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);endfigureplot(-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');grid on0100020003000-0.1-0.050.050.1各基元接收到的信号（无噪声）t/sA /v-100-50050100-80-60-40-20时域波束形成（无噪声）/度输出/d B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)^2;ps=A^2/2;ks=sqrt(ps/(100*pn));x=zeros(N,length(t));xx=A*cos(2*pi*f0*t)+ks*np;for k=0:N-1if(theta0<0)tao=fix((N-k-1)*d*sin(theta0)/c*fs)-1;x(k+1,-tao:end)=xx(1:length(t)+1+tao);elsetao=fix(k*d*sin(theta0)/c*fs)+1;x(k+1,tao:end)=xx(1:length(t)+1-tao);endendfigureset(gca,'FontSize',20);plot(x');title('时域波束形成（有噪声）');xlabel('t/s'),ylabel('A/v');100020003000-0.2-0.10.10.2时域波束形成（有噪声）t/s A /v -100-50050100-80-60-40-2020θ方向扫描结果（有噪声）θ/度输出/d B由此可见加过噪声的信号与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(theta>0)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);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);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=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(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);elsetao=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);figureplot(-alpha.*180./pi,20.*log10(yy));set(gca,'FontSize',20);xlabel('{\theta}/度');ylabel('输出/dB');title('频域波束形成')grid on5101520010203040501500Hz 处各基元接收信号相位关系φ-100-50050100-80-60-40-20θ/度输出/d B 频域波束形成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40，其他参数不变。
-100-50050100-80-60-40-20时域波束形成（无噪声）/度输出/d B-100-50050100-60-40-2020θ方向扫描结果（有噪声）θ/度输出/d B-100-50050100-100-80-60-40-20θ/度输出/d B 频域波束形成通过比较观察，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。
