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声呐原理实验报告 王璟琰 航海学院03050601班 声纳原理实验报告
声纳原理实验报告
(波束形成实验)
姓 名: 王璟琰
班 级:
学 号: 060735
指导教师: 杨益新
2009年9月22日
关于10元线列阵指向性波束图及目标方位估计
的研究
一、实验目的
1. 理解基阵的基本概念,通过实验了解线列阵的结构特征,理解均匀直线阵的指向性特性和其波束图的特点。
2. 理解接收信号时延产生的原因,并能运用所学知识通过调整加窗系数的技术来改善波束图。
3. 从本质上理解常规波束形成技术的基本原理,理解掌握目标方位估计技术的手段和方法。
4. 通过实验采集数据,运用相关软件处理数据,能运用目标方位估计原理和技术做出线列阵的波束图,初步培养运用专业知识解决实验问题的思维和技能。
二、实验原理
1. 均匀线列阵指向性函数
线列阵是指阵元在一条直线上的基阵。它一般具有如下的指向性:
其中是实际信号入射方向,M为阵元个数,d为相邻两阵元间距,为入射信号的波长,为基阵的指向性确定的主极大所指向的角度,即信号若从该角度入射则可以得到最大值。
2. 波束形成基本原理
一般均匀线列阵的自然指向性为主极大指向该直线阵的法线方向。即信号从法线方向入射可以得到最大的响应,因为在该方向上信号同相叠加,在其他方向上入射各阵元上的信号都会有一个相位延迟,从而会抵消掉一部分信号。信号源在不同方向时,各阵元信号与基准矢量的相位差不同,因而会的和输出的幅度不同,即阵的响应不同,这是基阵具有方向性的基本原理。而常规波束形成技术则是抓住相位延迟这一点,选择适当的加权系数,补偿掉这个延迟,可以让的主极大指向任意的方向。所谓波束形成技术,是指将一定几何形状直线,圆柱等排列的多元基阵各阵元输出经过处理形成空间指向性的方法。或更一般地说,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。因此,一个波束形成器可以看作是一个空域滤波器,它可以滤去空间某些方位的信号,只让指定方位的信号通过。
3. 声纳波束形成的目的
声纳波束形成的目的是多阵元构成的基阵经过适当处理后得到在预定方向上指向性。对于一个发射系统,具有指向性意味着发射能量可集中在某一方向,这样可以利用的能量探测到的目标。接受系统的指向性,则可使系统定向接受,从而抑制其它方向的干扰和噪声。此外,利用系统的指向性可以准确测定目标方位,达到目标方位估计的作用。目标方位估计,就是给定一组空域传播信号在基阵各阵元上的测量值,通过对这些测量值进行适当的处理,从中确定传播信号到达基阵的方位。通常DOA估计问题。三、实验地点及仪器设备:
1. :航海学院消声水池2. 仪器设备:详见下表:
仪器名称 型号规格 数量 信号放大器 PF-1UA-16FA-HP4F/LP4FP-Z 一台 16通道A/D转换器 DEWE-51-PCI-16 一台 频谱发生器(信号源) Agilent 3320 0A 一台 数字示波器 Tektronix TDS 1001BSC 一台 均匀线列阵 含10个阵元,阵元间距为0.12m 一列 声源 球形 一个 四、实验步骤
1. 将球形声源置距线列阵6米左右的位置固定,由该声源发射11kHz频率正弦波脉冲,脉冲的频率为10Hz。
2. 信号放大器、A/D转换器、均匀线列阵、频谱发生器、数字示波器等仪器,将各个仪器调整到正常状态,确定各仪器正常工作后准备开始转动基阵。
3. 转动基阵,使之与声源位于同一直线上,将该位置定为起始位置。从起始位置开始以2°为步长,转过180°。在每一角度处,由A/D转换器以200kHz的频率对每个通道并行采样,采样时长为1s,将采集到的90组数据存入计算机,以待后续处理。
4. 编写MATLAB程序,将数据导入,画出相关的波束图,包括未加窗函数处理的和加切比雪夫窗函数处理的图像。
五、实验相关数据记录、处理及结果
1. 相关数据
阵元数目(个) 10 阵元间距d(cm) 12 发射信号 11kHz 正弦脉冲 波长(m) 1500/11000 d/(阵元间距/波长) 0.88 信号采样速率(Hz) 200k 脉冲间隔(ms) 100
2. 实验数据处理过程
⑴ 10元均匀线列阵自然指向性波束图的数据处理:
a.将声源射向基阵的初始方向定义为°。
b.声源发出正弦脉冲信号,提取十个通道的采样数据。
c.对于每一个角度上的十个通道,将其每个通道的采样数据分别对应相加,并求出每一个通道的采样数据的平均值。
d.将每个角度上的平均值平方求和,求出信号的平均功率,存入数组,作为角度的函数。
e.以记录角度(非线列阵中心法线与声源夹角)为横坐标,以其对应的平均功率为纵坐标,画出指向性图与波束图。⑵ 对
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