12、波数与方位估计技术解析

波数与方位估计技术解析

1. 引言

在众多领域中，对波的空间特性进行测量是一项关键任务。波可以从远处的源在无反射空间中传播，也可以在有限空间中回响，或者表现为一个或多个源近场中的复杂辐射。这些波的类型涵盖机械波（如地震波、结构振动等）、声波（流体中的波）以及电磁波。当波源与接收阵列距离较远时，波前可近似看作平面，接收传感器阵列能够估计波的到达方向，即方位。这一技术在所有被动和主动声纳及雷达系统中至关重要，可用于测量远距离目标的方向。

2. 波数与方位估计的关键技术

2.1 波束形成技术

波束形成是解决同一频率下多个到达方向问题的常用技术，它本质上是空间波数滤波的应用。不同方向的波在阵列传感器位置处表现为不同的采样波长。将阵列波束指向特定的“观察”方向，相当于一个波数滤波器，它会让对应于该观察方向的波数通过，同时衰减其他波数。阵列波束可以通过电子方式进行“转向”，借助并行阵列处理器，能够同时形成并转向多个波束，无需机械系统来物理转动阵列。电子波束转向不仅实用、快速，而且由于没有机械复杂性，具有很强的鲁棒性。此外，电子波束形成和转向允许在同一传感器阵列上同时存在多个指向不同观察方向的波束。

2.2 近场聚焦技术

阵列还可以聚焦到其附近的一个点，而不是远处的源。这种应用相对新颖且实用，其技术主要涉及从经典波束形成问题中推导出不同的波数滤波器。我们可以将阵列近场聚焦简称为“球面波束形成”，因为此时我们过滤的是球面波数而非平面波数。更准确的术语是全息波束形成，因为阵列传感器对源附近场的空间采样可以通过测量传播和非传播（瞬逝）波数来重建波场。全息波束形成意味着通过阵列扫描源周围的表面来测量和重建完整的三维场。利用波数滤波