声呐(纳)技术 ：第四章 声纳波束形成技术课件.ppt

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1、第四章 声纳波束形成技术,波束形成的意义、基本原理基阵的自然指向性（直线阵、任意多元阵）阵元的幅度加权直线多波束阵的有关问题（极大值、旁瓣、零点）中心非模糊扇面波束形成技术（时延、相移等）,本章需掌握的重点内容,2,七,第十三讲 波束形成的一般原理,需要掌握波束形成的意义、定义；常规阵的指向性指数计算；阵的自然指向性（波束图）；阵元幅度加权的标准与方法，以及阵元幅度加权对波束宽度和发射功率所带来的相应影响。,3,七,波束形成（Beamforming）的意义？,一、波束形成技术对于发射系统而言：发射能量更集中，作用距离更远；采用机械转动或是相控阵技术可以获得所需要的发射指向性。,4,七,波束形成

2、（Beamforming）的意义？,二、波束形成技术对于接收系统而言：可使系统定向接收，从而抑制其它方向的信号和干扰；测向精确；,5,七,波束形成（Beamforming）的意义？,二、波束形成技术对于接收系统而言：可分辨多目标。,6,七,波束形成技术的定义,所谓波束形成技术是指将一定几何形状（直线、圆柱、圆环、球面、共形等）排列的多元基阵各阵元输出经过处理（例如加权、延时、求和等）形成空间指向性的方法。更一般的说法：波束形成技术是将一个多元阵经适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响应的方法。,7,七,波束形成技术的应用,8,七,波束形成技术的应用,Klein Associates Inc

3、.,9,七,波束形成技术的应用,10,七,波束形成技术的应用,Klein Associates Inc.System 5000 multiple beam sonar,11,七,波束形成技术的实现与分类,一、波束形成器可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现。,二、波束形成器一般可分为常规波束形成（时延、相移波束形成等）和高分辨波束形成（MUSIC、ESPRIT、SVD等）。,12,七,线阵（离散线阵和连续线阵）,阵的基本形式,13,七,线阵（离散线阵和连续线阵）,阵的基本形式,14,七,平面阵（矩形平面阵）,阵的基本形式,15,七,面阵（园面阵）,阵的基本形式,16,七,园柱阵,阵的基本形式,

4、17,七,共形阵,阵的基本形式,18,七,球面阵,阵的基本形式,19,七,体积阵,阵的基本形式,20,七,泰利斯水下系统公司的FLASH直升机上的低频主动吊放声纳,阵的基本形式,21,七,阵的指向性指数,为什么要成阵？,22,七,第一，阵有较高的灵敏度，因为许多阵元将比放在同一声场中的单个元件产生更高的电压(在串联时)或更大的电流(在并联时)。第二，阵具有指向性，因而能够分辨从不同方向到达的声波。第三，阵比单个水听器元件有较高的信噪比，因为它能够从各向同性的或准各向同性的噪声中把阵所指向的那个方向上的入射信号提取出来。,为什么要成阵?,23,七,阵的指向性指数,改善的程度可以通过阵增益（Arr

5、ay Gain，AG）来衡量，其定义为,如果信号以平面波入射并且是相干的，噪声是各向同性且互不相干（对于特定的信号与噪声的情况）。在此情形下，可将基阵增益AG简化为比较易于处理且易于观察的量，称之为指向性指数（Directivity Index,DI）：,24,七,阵的指向性指数,例 一线阵由64个基元组成，设计工作频率为1kHz,阵元间距为半波长，问工作频率为1kHz，100Hz，1.5kHz时的指向性指数为多少？,解：由题知阵长为,工作频率为1kHz时,工作频率为100Hz时,工作频率为1.5kHz时,25,七,基阵的自然指向性,将所有阵元的信号直接相加得到的输出，就形成基阵的自然指向性,

6、26,七,任意阵的自然指向性举例,27,七,N元等间隔线阵自然指向性（即波束图）,28,七,N元等间隔线阵自然指向性（即波束图）,假设阵元0的接收信号为：,那么，由图可知阵元1的接收信号为,同理，阵元2的接收信号为,阵元N-1的接收信号为,29,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,因此，根据定义这个N元等间隔直线阵的自然指向性为,其中，,假设以阵元0位参考，阵输出为,30,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,利用以下等比级数求和公式,可得，,因此，阵的输出幅度为,31,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,归一化后,再利用三角恒等式，可得,什么时候输出幅度最大？,当 时，

7、实现同向相加,上式说明一个多元阵输出幅度大小是随信号入射角而变化的。,32,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,当 时，实现同向相加,33,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,如何使得 方向同向相加而得到输出最大呢？,如何形成指向 方向的波束呢？,如何使得声纳基阵只接收来之 方向的信号呢？,1,2,34,七,N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）,因此，将各阵元接收到的信号分别延时,如图，以阵元0为参考点，信号到达其它各阵元的提前时间为,后相加，即可实现同向相加，在该方向上输出幅度最大,35,七,N元等间隔线阵自然指向性举例,36,七,多元任意阵指向性的一般表示,设在参考点（0

8、,0,0）处阵元接收到的声压信号为,那么，第i个阵元接收到的信号为,设 为空间基阵第i号基元的直角坐标（如图），信号源位置为M，其单位方向矢量为。,任意空间阵的归一化输出为,37,七,多元任意阵指向性的一般表示,其中，“.”表示向量点积。这样，阵输出可写为,以（0,0,0）点位参考点，上式可写为,远场时，即（声源距离比阵的尺寸大得多时），声源到达各阵元的信号可看作远场平面波。此时，就近似为 与矢量 在 上的投影之差，即,在球坐标系下（远场条件），,38,七,直线阵是多元任意阵的一个特例,因此，此时的阵输出为,如果一个位于x轴上直线阵，即，且只考虑xoz平面内的一维平面波，则有,其中，,与直线阵

9、一致！,39,七,多元任意阵指向性的举例,10元任意阵自然指向性,40,七,对阵元幅度进行加权的目的在于改善阵的方向性，例如改善主旁瓣的相对幅度等。除了阵元间距小于等于半波长的单个偶极子，几乎所有的波束图都出现次极大的旁瓣，仅在主瓣峰值下，一阶、二阶、三阶旁瓣极大值就分别为-13.5、-18、-21 分贝。所以对于强信号来说，旁瓣波束可以检测到该信号，同时，它更能被处于信号所在方位上的主瓣波束检测出来。由此最终产生方位模糊，加上检测过程中的附加信号、虚警信号，使所有后续的信号处理过程变得更复杂。因此，阵元的幅度加权（束控，shading）的目标应该是：在某些合乎要求的旁瓣下，尽可能地产生与之相

10、协调的最窄主瓣。,阵元的幅度加权,41,七,通过振幅束控（Shading）或加权（Weighting），即在基阵（发射过程中）不同位置上发射具有不同振幅的信号，或（接收过程中）改变不同接收基元的接收振幅，就可能抑制旁瓣，但这样做总是以加宽主瓣和降低方向性指数DI为代价的。对于发射机来说，降低方向性指数意味着最终降低了声源级SL。,阵元的幅度加权,42,七,阵元的幅度加权,常用的加权标准有：在给定旁瓣高度的要求下获得最窄的主瓣；在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣；在一定阵元数下，满足给定的主旁瓣高度比；,常用的加权手段有：改变阵元的接收灵敏度；改变前置放大器的放大倍数；,43,七,阵元的幅度加权

11、,改变阵元的接收灵敏度的方法来实现加权,例，一个阵元灵敏度如下图所示的等间距三元阵。,由N元等间隔线阵的指向性公式可知，左图二级子阵的指向性函数为,第一级由两个子阵声学中心组成的等效阵元组成，其指向性为,因此，阵总的指向性为,44,七,阵元的幅度加权,改变阵元的接收灵敏度的方法来实现加权,例，如下图所示的等间距五元阵。,第二级4元等间隔线阵的指向性函数为,第一级由两个子阵声学中心组成的等效阵元组成，其指向性为,因此，阵总的指向性为（书上有印刷错误），,45,七,阵元的幅度加权,用幅度加权来改变阵的指向性,由图可知,因此，加权和为,因此，波束图由权值的傅氏变换决定，即,46,七,阵元的幅度加权,

12、余弦平方加权,47,七,阵元的幅度加权,道夫契比雪夫加权,48,七,阵元的幅度加权,常用的加权函数,49,七,阵元的幅度加权,常用的加权函数,-3dB,50,七,阵元的幅度加权,常用的加权函数,51,七,阵元的幅度加权,用幅度加权来改变阵的指向性,例 未加权时基阵在3dB 和20dB 的波束宽度为8.3和17.3，问分别采用道夫契比雪夫（Dolph-Chebyshey）30 dB加权与Hamming加权后的波束宽度?,解：采用道夫契比雪夫30dB加权，,3dB波束宽度变为：1.38.3=10.8,20dB波束宽度变为：1.517.3=26,采用Hamming加权，,3dB波束宽度变为：1.58

13、.3=12.5,20dB波束宽度变为：1.717.3=29,52,七,阵元的幅度加权,用幅度加权来改变阵的指向性,例 给定6元线阵，阵元间距为半波长，每个阵元无指向性发射功率为1000瓦，各阵元加权系数为0.3，0.69，1，1，0.69，0.3；求加权后的总的声源级。,解：六个阵元的总声源级为：,振幅加权后各阵元输出功率为：,90瓦，480瓦，1000瓦，1000瓦，480瓦，90瓦,所以，加权后输出总的功率为,90瓦+480瓦+1000瓦+1000瓦+480瓦+90瓦=3140瓦,53,七,阵元的幅度加权,用幅度加权来改变阵的指向性,这样以上两项带来的总功率减少为：2.8+1.1=3.9

14、dB,因此，加权前后总功率减少为,同时，由于3 dB波束宽度增加至原来的1.3倍，所以加权后的功率还要在更大的扇面内扩展，由此降低的平均功率为,因此，最终声源级为217-3.9=213 dB,54,七,作业,3、4,55,七,第二节 直线多波束阵的有关问题,56,九,本讲重点,线阵自然指向性图的有关特性常规波束形成技术（相移与时延）中心非模糊扇面的概念中心非模糊扇面内的独立波束的个数,57,九,1.早期的声呐只有一个波束,一、引 言,这种声呐一般只采用阵的极大值方向或补偿到某一方向上实现对目标的定向。由于单波束声呐在一次收发过程中只能观察一个波束所覆盖的波束空间，若要观察一个大的扇面，就必须用

15、机械或电子的方法来转动这个波束，使其逐步搜索并覆盖该扇面。,58,九,第二次世界大战美国潜艇潜艇用JP听测设备,59,九,电子扫描技术（看视频）,60,九,扫描扇面覆盖示意图,61,九,实际的电子扫描技术,62,九,2.单波束扫描存在扫描周期与作用距离之间的矛盾,扫描快作用距离短；作用距离大，不能及时对整个扇面扫描，目标易丢失。,63,九,旁扫声纳目标跟踪仿真,64,九,设有一个束宽为 的单波束声呐，依靠通过旋转基阵搜索一个扇面，为观察扇面内直到距离 的所有目标，要求的最短时间为,65,九,其中，为信号从阵到达最大距离尺的目标往返的时间，在这一时间内波束不能旋转大于一个波束的角度，否则就会丢失

16、目标。,66,九,67,九,68,九,如果目标和声呐皆运动，则易失去目标，必须提高数据率方能提高搜索速率。,解决途径：多波束系统显然可以提高搜索速度，而且利用预先形成的多个波束（预成多波束），使各个波束输出具有各自独立的信号处理通道，可以保证时间处理增益不受损失。,多波束系统所需的最短扫描时间为多少？,69,九,二、线阵的自然指向性特性,等间距直线阵极大值、旁瓣和零点分布,70,九,极大值位置,当 时，取极大值，即极大值在 轴上的位置为,71,九,零点位置及个数,72,九,73,九,旁瓣位置,74,九,75,九,看下图两极大值之间有几个零点、旁瓣、次级大、几元阵？,76,九,上图的功率图,77

17、,九,极坐标图；极坐标功率图,78,九,三、相移波束形成与时延波束形成,相移波束形成：阵元之间插入相移使主极大方向控制于不同方位的方法；一般在主动声呐中时，常用相移波束形成；,时延波束形成：插入时延使波束控制于不同方位的方法；在宽带应用（被动声呐中）时，则用时延波束形成，这是因为相移是频率的函数，而时延则可做到与频率无关。,79,九,1,2,3,n,N-1,80,九,81,九,82,九,极大值位置,83,九,左右第一零点位置,84,九,主波束宽度与主瓣宽度,85,九,（视频BeamScaning）,86,九,87,九,随着指向角的增大主波束宽度增大。,88,九,四、直线阵扫描角度的限制中心非模

18、糊扇面的概念,利用相移补偿或时延补偿，使主波束（mainlobe）在空间一个扇面内转动指向（或称扫描）时，这一扇面的宽度实际上不是任意的，存在一个极限值。当扇面超过这个极限时，将会出现方位模糊（beamscaning2）。,89,九,线阵自然方向性与插入相移后的方向性函数,N,90,九,上图示出了线阵自然指向性和经相位补偿后的指向性。假如有一扇面要搜索或扫描，如果第一对副极大离所需搜索扇面边沿太近，则主波束转动角度时，它们就会落人扇面内，从而造成方位模糊或混淆。,不会出现方位模糊,出现方位模糊,91,九,由上图可知，则只要满足扫面扇面半宽度满足下式就不会在扫面该扫面扇面内出现负极大：,不会出现

19、方位模糊,出现方位模糊,92,九,中心非模糊扇面定义为：当波束扫描或控制波束转动方位时，不会在其中出现副极大值(grating lobe)的中心扇面。,不会出现方位模糊,出现方位模糊,93,九,94,九,95,九,五、中心非模糊扇面内的独立波束数,由主波束宽度的一半,式得知，均匀加权等间隔N元线阵主波束宽度为,在采用不同组的相移补偿获得不同指向的多个波束时，各波束间应有一定的覆盖，否则会造成漏目标。,96,九,当以波束宽度一半处为覆盖点，以,代人线阵波束图公式中，可以得到覆盖点的值,97,九,对应的分贝值为,98,九,99,九,第三节 直线阵相移波束形成器,基于DFT的波束形成器,100,十,101,十,102,十,满足相邻波束相互独立的要求,103,十,104,十,105,十,第四节 波束扫描技术,106,十,107,十,视频,108,十,109,十,110,十,111,十,112,十,k,k,k,113,十,114,十,第五节 时延波束形成技术,115,十,r,116,十,117,十,118,十,119,十,120,十,121,十,122,十,123,十,124,十,