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延迟计算
波束成形的基本部分是计算阵列元素之间的波到达时间的差异。波束形成文献主要采用两种方法; 简单几何或矢量点积。该页面描述了使用这两种方法如何计算到达数组元素的平面波前与任意参考点之间的时间差。当源被认为距离阵列很远时,通常假设平面波。
基本几何的延迟计算
下面的左侧图像显示了沿x轴放置的单个麦克风。这反映了一维阵列的单个元素位置(右手图像)。在该设置中,从y轴测量平面波到达的角度; 0°的角度是宽边平面波,±90°的角度是端射。
所有延迟测量均参考单个点进行,在这种情况下,是轴原点。
![]() 1D延迟计算 | ![]() 线性阵列显示宽边和端射平面波 |
使用波前必须在参考点和感兴趣的元素之间行进的距离差来计算波前时间延迟。然后通过将该距离除以声速来计算时间。
2D情况如下所示。采取相同的基本方法; 计算波前必须在原点和元素之间传播的距离差,然后除以声速。但是,这次距离计算是针对2D的。
![]() 二维延迟计算 | |
用矢量点积计算延迟
矢量点积提供了一种计算波前延迟的简单方法。下图显示了三个向量。向量c是向量a到 b的投影。向量c的长度称为a到b的标量投影。正是这种投影提供了计算波前延迟的方法。
标量投影
使用直角三角形的标准几何,我们可以从矢量a的长度和两个矢量之间的角度找到矢量c的长度。
以点积公式我们可以重新安排找到矢量的长度Ç中的矢量的点积方面一个和b和矢量的长度b。
最后,如果我们可以确保向量b是单位向量(长度为1),那么向量c的长度就是向量a和b的点积。
下图显示了矢量点积如何应用于计算波前延迟。使用的两个矢量是元素(麦克风)位置矢量和波前矢量。
![]() 2D麦克风位置 | ![]() 点积延迟计算 |
如果波前矢量是单位矢量,则可以如下计算元素和原点之间的波前延迟。
例
以下是使用点积计算3D空间中阵列麦克风的波前延迟的示例。下面给出示例麦克风坐标和波前源方向。请参阅3D坐标系统页面,了解这些坐标如何相互关联。
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首先,将波前方向转换为单位矢量。
使用毕达哥拉斯定理快速检查,显示这是一个单位向量。
然后计算延迟