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声纳原理 声纳的波束形成技术 任课教师：杨益新 电子邮件：yxyang@nwpu.edu.cn 办公电话 办公地址：航海学院322室 杨益新 1 本章讨论：多元阵如何形成指向性波束及如何控 制波束指向的技术。 声纳波束形成的目的— 多阵元构成的基阵经适当 处理得到在预定方向的指向性。 什么是波束？ 发射：定向发射 接收：目标方位测定 多个目标分辨 杨益新 2 第一节 声纳波束形成的一般原理 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。 一个波束形成系统可以看成一个空间滤波器，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。 1。直线阵波束形成 考虑N元等间距直线阵，阵 元间距为d ，平面波入射方 向为 。 θ 杨益新 3 ω ϕ A 为信号幅度， 为信号角频率， 为相邻阵元接收 信号间的相位差。 杨益新 4 所以输出为 进行幅度归一化，有 N=6 N=7 杨益新 5 注意：一般而言，只有直线阵或空间平面阵才会在阵的 法线方向形成同相相加，得到最大输出。任意阵形的阵 经过适当处理，可在预定方向形成同相相加，得到最大 输出。 例如：右图所示阵列，各阵元 之间时间延迟为 τ ,τ ,,τ 1 2 N 延迟电路补偿这些时间延迟后，可 以获得同相相加输出。对于频率固 定的信号或者窄带信号，也可以进 行相位补偿，获得同相输出。 需要注意的一个问题：指向性函数（指向性图）以及空 间响应函数（波束图）两者之间有何区别？ 杨益新 6 2 。多元阵指向性的一般表示 要计算指向性，关键是计算信号到达各水听器的程差， 或到达各水听器与参考点的程差。 第i号阵元的位置矢量 E (x ,y ,z ) i i i i 原点指向信源位置方向的单 位方向矢量 s 参考点接收声压信号 第i个阵元的接收信号为 杨益新 7 基阵的归一化输出为 θ ϕ 这是声源方向角 、 以及源距离r 的函数。 当满足r Ei ，即声源距离r 比阵尺寸大得多时，声源 到达各个阵元上的信号可以视为远场平面波。 此时，阵输出为 杨益新 8 这是远场情况下多元阵输出的一般表示。程差可以表 示为 对位于x轴上的一维直线阵，当ϕ 0 ，有 指向性函数是基阵输出的幅度对源方位角的响应： 对于直线阵 杨益新 9 3 。乘积定理 若构成阵列的是指向性阵元，且