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 （波束

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。 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。 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。 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 均匀线列阵指向性函数线列阵是指阵元布放在一条直线上的基阵。它一般具有如下的指向性: sin(sin sin sin(sin sin 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，为基阵的指向性确定的主极大所指向的角度声纳技术实验报告，即信号若从该角度 波束形成技术的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 声呐原理实验报告 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，各阵元接收信号与基准矢量的相位差不同，因而会造成各阵元接 收的信号和输出信号的幅度不同，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，可以让波束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（如直线，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。 声纳波束形成的目的声纳波束形成的目的是使多阵元构成的基阵经过适当处理后得到在预定方 向上形成特定的指向性。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，这样可以利用较小的能量探测到较远的目标。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，利用接收系统的 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。通常称为DOA 估计问题。 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 米左右的位置固定，由该声源发射11kHz 将信号放大器、A/D转换器、均匀线列阵、频谱发生器、数字示波器等仪 器依次连接好，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 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。

x(t)s(t)，乘以时域有限宽矩形窗函数用矩形窗函数w(t)截断采样信号，就是将采样信号w(t)。(3) 计算滤波器的单位采样响应h(n)(4) 验算技术指标是否满足要求,计算设计的滤波器频率响应：计算设计的滤波器频率响应：汉宁窗定义汉宁窗（hanning）函数时域形式可表示为：利用傅利叶变换的调制特性，由上式可得汉宁窗的平谱函数为：当n远大于1时，上式可近似表示为：这三部分之和使旁瓣互相抵消，能量更集中在主瓣，汉宁窗函数的最大旁瓣值比主瓣值低31db，但是主瓣宽度比矩形窗函数的主瓣宽度增加了1倍，为8π/n。现在普遍采用的脉冲采样器分为单或双干簧管脉冲采样两种方式，设计要求均须具有信号采样及防磁干扰功能。

b.声源发出正弦脉冲信号，提取十个通道的采样数据。 c.对各个通道上的采样数据进行切比雪夫加权，具体做法是将数据的各项与 窗函数的对应项相乘。 对于每一个角度上的十个通道，将加权过的十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。 e.将每个角度上的各个平均值平方求和，求出信号的平均功率，存入数组， 作为角度的函数。 f.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。 延迟求和波束形成：a.将声源射向基阵的初始方向定义为0。 b.声源发出正弦脉冲信号，提取十个通道的采样点数。 c.对对各个通道上的采样数据进行希尔伯特变换，化为有自然指数表示的复 数形式。然后给每一个通道的数据乘以相应的时间延迟延时（复数形式），以补 偿各通道的相位上的差异，从而得到能够同相叠加的信号。 d.将计算所得到的数据取实部，还原为实数信号，但是各通道有了不同的时 e.将十个通道的处理好的数据分别对应相加，并求出平均值。f.将每个角度上的各个平均值平方求和，求出平均功率，存入数组。 g.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，画出指向性图形与波束图。

10元均匀线列阵自然指向性波束图（不加窗与加窗的对比） 声呐原理实验报告 偏离60时的指向性函数及波束图声呐原理实验报告 由中的波束图可以看出其指向性特点，即基阵输出幅度对信号源所在的方向上的角度的响应。在大约为53的方位上，幅度达到最大，说明在此角度下， 入射信号入射到各通道时，均为同相信号，即相干信号。将它们相加之后，幅值 声呐原理实验报告 达到最大。将其进行归一化处理后，即得到上图所示结果。此时，该角度是记录角度，并不是线列阵中心法线与声源夹角。因为记录数据时是从323到359，1 143，经过数据处理和转换，可以将其认为为-37~143，而照此方法换算下来，53刚好是其中心位置，也就是说线列阵转动了大约90，输出幅度达到最大 值。这与当时实验情形相符，同理论也是相符合的。由此可以验证，均匀线列阵 的中心的法线方向，就是其主极大方向。 实验开始时主极大方向与声源夹角为 90声纳技术实验报告，当基阵转过 90后主极大方向正 好指向声源，因此此时的信号输出响应最大。 同时由波束图也看出，不加窗时旁瓣级大约可以达到-11dB；加上切比雪夫 窗后，主瓣与旁瓣相差了超过20 dB。由此可见加窗可以优化波束图，可以压低 旁瓣，但是也可以从图中看出，加窗后的波束图的主瓣比未加窗时略微宽一些， 因而在设计和选用加权系数时，需在旁瓣级的高度和主瓣的宽度之间作折中，因 为这两个因素是互相矛盾的。

此时旋动基线补偿钮后可观察基线补偿偏转方向及大小，正常时基线补偿方向应与信号偏离方向相反，若基线补偿方向与信号偏离方向同向，可考虑改变极化电压极性。在实验中，通过两种方式获取此运动轨迹进行跟踪测试实验:第一种方式是在计算机上直接由matlab产生，即跟踪控制程序自己产生目标方位角位置信号进行跟踪，这实际上就是传统室内仿真测试方法中的等效目标法。b．确认室外天线所在位置信号稳定，并且天线方向尽量指向信号发射基站。

同时电学知识的学习中有很多的实验，其中不少的实验学生可以自己找器材，自己设计完成，既培养了学生动手操作能力，又锻炼了学生了的设计实验的水平，在实验中体验成功的快乐，总结失败的教训。收获体会：通过实际的测量实习，让我学到了很多实实在在的东西，比如对实验仪器的操作更加熟练，学会了课堂上无法做到的东西，很大程度上提高了动手和动脑的能力，同时也拓展了与同学的交际、合作的能力。（1）上机编程，锻炼学生动手、动脑、逻辑思维的能力。