测向与定位技术.docx

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第五章测向与定位技术

5.1波束形成器

波束形成器的作用是对来自水听器基阵的信号进行延时、加权、求和等运算处理，以得到在预定方向上的指向特性，从而获取抗噪声和混响的空间增益，并用于测定目标的方位。因此，波束形成器也可以看成是空间滤波器。

5.1.1单波束系统

单波束系统只形成一个波束，一般是利用基阵的自然方向性，即在000°的方向上形成极值来进行定向的。为了使空间方向性较窄的单波束能在某个开角或全方面搜索并发现目标，就必须使形成的单波束在空间旋转，现多用移相网络实现波束旋转。

以均匀线列阵为例，它的方向性图极大值是在基阵的法线方向上。用改变声学系统各单元之间的延迟时间或补偿一定的相位达到将波束极大值相对于基阵法向转动一个口角。

图5.1给出了采用延时补偿实现波束移动的原理图，该系统是由线列阵、混频器、延迟线及扫频震荡器组成的。为了使最大值方向在空间

(a)

图5.1波束移动的延时补偿法示意图

(a)延时补偿系统；(b)波束移动原理专心---专注---专业

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扫描，所有延迟线的延迟时间或者相移都必须同时做相应的改变。如果延迟线的输入信号频率能够按波束移动要求而做相应的改变，那么延迟线的相位移就能满足波束移动的要求。为了使延迟线的输入信号频率能按波束移动的要求改变，必须将信号在进入延迟线之前用扫频震荡器的输出信号与其混频，用混频输出送入延迟线。有几路信号就有几个混频器。

图5.1(b)中(i)表示混频后加到延迟线的信号频率f?,它是一个以Ts为周期、具有最大频偏□f的线性调频信号。当t=0时，f?=fo。图中(ii)表示延迟线的相位特性，它在f?上的相移O(f?)=0。在信号频率变化□f时，相移变化口0,故可得到图中(iii)所示的相移特性。这个特性表示相位移与时间呈线性关系，且在t=0时□(t)=0,因此可以得到图中(iv)所示的方向性图。

它的位置在一个锯齿波扫描周期内从O0变到□0,故波束实现了快速方位扫描。

5.1.2多波束系统

单波束系统因方位扫描速度太慢而不能适应实战要求。最理想的波束形成器是预形成波束的多波束系统。该系统是各个波束顺序排列充满整个要搜索的空间，又通过方位扫描对空间多波束来进行快速取样，实现全景显示。多波束系统的每个波束共用一组水听器，而每个波束又有各自独立的信号处理通道，所以没有单波束系统搜索速度慢和扫描能量损失的缺点。

根据波束形成器使用频带宽度的不同，可以分为窄带波束形成器和宽带波束形成器两大类。主动信号探测一般采用窄带信号(如矩形单频脉冲信号、线性调频信号、双曲线调频信号等),所以一般采用窄带波束形成技术。而被动信号探测需采用宽带波束形成技术，也可以将宽带信号分解成一系列的窄带信号去采用窄带波束形成技术。对于多波束系统，现在主要采用数字波束形成的方法实现，并可归纳为时域波束形成方法和频域波束形成方法。

时域多波束形成器

为了对波束形成器的工作原理做一简单介绍，仍以均匀线列阵为例，它的极大值方向是在基阵的法线方向上。为了让极大值偏移法线方向一个

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角度口?,就必须使各基元同时移动一个相位或延迟一段时间，图5.2给出了常规波束形成的示意图。

常规波束形成器

图5.2常规波束形成器

因为声波与基阵法线方向有一定的夹角4,所以不同基元接收的信号存在时延。对于i号基元，相对于基元1的时延口或相移口应等于

=1,2,…,N)

(5.1.1)

w为不同基元输出信号的若各基元的输出信号为x?(t),i=1,2,……,N加权系数，则波束形成器的输出为

w为不同基元输出信号的

(5.1.2)

如果输入信号x;(t)的角频率为w?,则上式可以表示为

(5.1.3)

用式(5.1.2)形成波束是一种时间延迟的波束形成技术，用式(5.1.3)形成波束是一种移相的波束形成技术，它们都是在时域内形成波束。

如果波束形成器的延时按口?设计，且声波的入射角为，则均匀线列

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阵的方向性系数可以表示为

或表示为

(5.1.4)

(5.1.5)

其中

可见，当口=口?=046时，D(口)□1,这说明当声程差引起的相位差或时间差等于波束形成器在口?方向上人为移动的相位差或时间差时，各基元的输

出信号便能达到同相迭加，也就可以在口?方向上形成波束的极大值。所以，人为改变口?或6,就可以达到改变波束