水聲定位系統的系統結構

使用水聲定位對水下目標進行定位時，定位信號發送時間可以由同步信標或者應答器得到，之后與聲速相乘就可得到兩者之間的距離。

目標方位估計則要通過計算聲信號到達不同聲傳感器陣元的時間延遲或者相位延遲來估計。

水聲定位的系統結構如圖所示，定位過程如下：

（1）接收陣列:整個信號接收模塊由若干個子陣組成，各個子陣接收待處理的水聲信號，每個子陣包含一定數量的水聽器基元。

（2）波束形成：波束形成處理，用來形成陣列的空間指向性，從而達到對接收信號進行空域濾波的目的，獲得空間處理增益，提高信噪? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?比，改善測量精度。

（3）方位估計:各個子陣的輸出信號送入到后端的信號處理單元，由線陣測向算法進行波達方位估計。

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波束形成（Beamforming）

Beamforming:?conjunction with an array of sensors to provide a versatile form of spatial filtering.

為什么要使用波束形成？

我們以移動通信為例:思考一下生活中是否遇到過，在某個地方人少時候信號很好，但是人特別多的地方手機信號變得特別差，這個就是因為當無線信號在空間中全方面輻射時候，只有一小部分信號被接收成為有用信號，大部分信號并沒有被相應接收機制接收到，而是輻射到其他的接收機成為了干擾信號，而將無線信號（電磁波）只按照特定方向傳播的技術叫做波形成(beamforming)。有了波束形成，眾多小伙伴就可以在同一個地方歡快的玩手機上網而不用擔心沒有信號的問題了。

在聲吶系統應用：目前世界各國都致力于水下目標定位算法的研究，采用聲吶進行水下定位可分為主動聲吶和被動聲吶。主動是聲吶本身需要輻射聲波，把接收目標反射波作為檢測估計的基礎，雖然現在主動聲吶仍然是海軍主力聲設備，但是主動聲吶存在著隱蔽性差的缺點。而被動聲吶不向外發波，隱蔽性好，不易被發現水下工作時間長等優點，在實際應用中作用越來越大所以必須加大研究被動聲吶探測定位技術。對被動聲定位的研究主要是對波束形成算法的研究。波束形成大致可分為兩類：傳統波束形（Conventional Beamforming, CBF）成和自適應波束形成（Adaptive Beamforming ，ABF ）。

波束成形源于自適應天線的一個概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進行加權合成，成形所需的理想信號。從天線方向圖視角來看，這樣做相當于成形了規定指向上的波束。在水聲環境中，接收陣元接收信號信噪比低，不利于水聲定位精度的提升，而利用波束成形技術，可以抵消干擾，提高接收信噪比。

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波束形成本質：

多個傳感器的數據（發射/接收） 經過一系列運算或延時、加權等處理， 得到增益加權相加使得某個方向的輸出增大， 相當于指向了該方向使指定方向的信號通過，對其他一些空間方向來的噪聲和干擾有所抑制，也稱為空域濾波。波束形成可以用模擬方法和數字方法實現。當前已廣泛使用數字方法。波束圖亦稱方向圖，呈花瓣形，其中發射能力最集中或接收響應最高的波束稱主波束（又稱主瓣），在主波束旁側一系列較低的波束稱為旁瓣或副瓣。

應用場景：

雷達、 聲吶、 導航、 地震波探測、 語音處理、 移動通信、 醫用超聲設備。

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傳統波束形成器(Conventional Beamforming, CBF)

對于時域的波束成形通常有兩種方法：相移波束形成和時延波束形成。在基元之間插入相移使主波束極大方向控制于不同方位的方法稱為相移波束成形，而插入時延使波束控制于不同方位的方法稱之時延波束形成。

在主動聲吶中，長應用相移波束形成；在被動聲吶中，則用時延波束形成。采用時延波束形成，對接收信號進行濾波處理。

在波束形成時，只要選擇合適的權值，波束圖就會在所需方向上得到加強，而在其他方向上減弱。信號通過波束形成單元可以增強信號、抑制噪聲，從而提高了輸入信噪比。波束形成單元的具體結構如下如圖所示：

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本文所介紹的常規CBF算法是采用延時加權求和法，對本文陣列模型進行就按求和。通過一個加權向量w對陣列接收到的數據加權相加得到輸出,所以確定是Beamforming中非常重要的步驟。首先我們將所有問題簡化，不存在噪聲，只有單一一個信源，而且這個信源還是正弦波。我們的陣列接收對于簡諧波在不同的陣元到達時間不同，造成了不同的時延，或者說是相位差。那么非常直觀明確的，如果想要對這個簡諧波得到最大程度的放大，只需要將這些時延給抵消。多以最優的加權向量就應該等于正弦波來波方向的方向向量。在高斯白噪聲背景下，即,結論不變。

波束圖Bp(θ)

波束圖是CBF對不同來波方向的響應。
BF的加權向量w確定后（例如CBF：w=a(30°)），該BF對θ∈R的響應Polar圖即為波束圖。

均勻線陣(ULA)CBF的波束圖

方向向量：

加權向量：

波束圖：

方位估計(Direction of Arrival, DOA)

DOA（direction of arrival）估計也就是方位估計， 是陣列信號處理中的重要內容，也是聲吶系統中必不可少的一部分。 空間譜和波束形成的關系是：空間譜估計可以通過多個方位掃描進行多個波束形成來實現。此外，空間譜估計也可以由其他參數化和非參數化的方法來實現。

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空間譜P(θ)

空間譜，即來波信號到達時，令BF在θ∈R范圍搜索，得到的空間譜P(θ)。例如，在白噪聲背景下，假設CBF：w=a(θ), θ=[-10°; -9°; -8°; … 10°]，逐次搜索，得到響應y(θ)=w(θ)x(t)=w(θ)[as(t)+n(t)]，那么波束圖P(θ)=wHxHxw，即：

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的水声定位中的CBF波束形成原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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