水声——波束图,波束响应直白解释

本文探讨了水声信号处理中的窄带波束形成技术,包括窄带信号的时延特性、加权向量的作用、波束响应的概念及其与阵列流型向量的关系。阵列流型向量是基阵对特定方向信号的延迟表达,而波束响应则反映了波束形成器对不同方向信号的增益特性。此外,文章提到了波束图的绘制用于分析信号增强和抑制效果,并讨论了在实际应用中如何处理噪声协方差矩阵的不确定性。

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水声系列备忘,总结点自己的理解。PS:水声系列真鸡儿像考古,没个好书,看帖子废话一堆,公式推导还语焉不详。费劲~~~欢迎指导。

首先,假设波是单一频率的,时域空域可以很简单的投射到频域的角变化w。(最傻逼的默认,不说谁知道)

1.窄带信号:窄带信号的时延可以近似为相移。

2.加权向量( \boldsymbol{w} ):

窄带信号的波束形成器写成向量的形式:\boldsymbol{w}^{H}=[w_{1}^{*},w_{2}^{*},...,w_{n}^{*}]

权向量写成共轭的形式是为了表述方便。(?)​​​​​​​将​​​​​​​\boldsymbol{w}称为加权向量。

窄带波束形成器的设计问题就是设计加权向量\boldsymbol{w}

(对于等间隔的均匀线阵,加权向量可以表示为阵列流型向量。???)

 3.波束响应\boldsymbol{B}):波束形成器对某方向单位功率平面波信号的响应。可用于考察波束形成器的空间响应特征,表示基阵对不同方位到达信号的复增益。(按照假定的来波方向,给来波做最大的补偿\boldsymbol{w} ^{H}\boldsymbol{P} =1(入射信号同相叠加),其他方向的来波抑制掉。所以主峰都在来波方向,其他方向响应较低,但是仍然存在其他方向无法抑制的情况)

阵列流型向量为\boldsymbol{P(\Omega )}则: \boldsymbol{B(\Omega )}=\boldsymbol{w} ^{H}\boldsymbol{P(\Omega )} , \Omega\epsilon \Theta​​​​​​​   \Theta是所有可能的信号到达方位集合,或称为观察视区(field of view,FOV)

波束响应只与加权向量和方向响应向量(P有关,与该方向是否存在信号无关。

很多情况都是对B取对数:20log|B|

波束图(就是波束响应):通过波束图可以知晓哪个方向的信号被增强,哪个方向的信号被抑制。——https://blog.youkuaiyun.com/chinabing/article/details/126456643

4.阵列流型向量(导向矢量)P由于基阵响应向量是方向的函数,很多场合也称为方向响应向量。基阵各方位的方向响应的集合称作阵列流型向量。方向响应向量是频率、方向、阵元的函数。固定频率、给定基阵,就可以省略二者。

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固定一个角度的\boldsymbol{w}矢量,

阵列流型向量(导向矢量)P:阵列里每个阵元对某个来波角度的信号的延迟(频域表示)。

阵列流型矩阵:不同角度的阵列流型向量合并起来就是阵列流型矩阵。角度怎么设定随意,可以0-90度,也可以-90-90度,也可以30-50度。多见-90-90度的,分辨率1度变化的。

观察角度:假定的来波角度,此角度波束图波峰最大?。如果波真的从此角度来,相应应该达到峰值。

需要满足无失真约束 \boldsymbol{w} ^{H}\boldsymbol{P} =1

我们无法预先估计噪声协方差矩阵 Rn ,这时的解决方法往往是直接用数据协方差矩阵 Rx 来代替噪声协方差矩阵 Rn 。——MVDR波束形成器 - 知乎

来自:阵列信号DOA估计系列(三).MVDR/Capon波束形成(附代码)_dhww的博客-优快云博客_mvdr算法

假设,阵列流型向量(导向矢量)为A, 阵型接收信号为Y,声源直射平面波到每个阵元上x,Y=Ax。

以及,自适应的权重向量W(MVDR之类)。

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