声呐(纳)技术-：第四章-－声纳波束形成技术课件.ppt

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1、第二节第二节 直线多波束阵的有关问题直线多波束阵的有关问题1九本讲重点本讲重点线阵自然指向性图的有关特性线阵自然指向性图的有关特性常规波束形成技术（相移与时延）常规波束形成技术（相移与时延）中心非模糊扇面的概念中心非模糊扇面的概念中心非模糊扇面内的独立波束的个数中心非模糊扇面内的独立波束的个数2九1.早期的声呐只有一个波束早期的声呐只有一个波束一、引一、引 言言这种声呐一般只采用阵的极大值方向或补偿到这种声呐一般只采用阵的极大值方向或补偿到某一方向上实现对目标的定向。由于单波束声某一方向上实现对目标的定向。由于单波束声呐在一次收发过程中只能观察一个波束所覆盖呐在一次收发过程中只能观察一个波束所

2、覆盖的波束空间，若要观察一个大的扇面，就必须的波束空间，若要观察一个大的扇面，就必须用机械或电子的方法来转动这个波束，使其逐用机械或电子的方法来转动这个波束，使其逐步搜索并覆盖该扇面。步搜索并覆盖该扇面。3九第二次世界大战美国潜艇潜艇用第二次世界大战美国潜艇潜艇用JP听测设备听测设备4九电子扫描技术（看视频）电子扫描技术（看视频）5九扫描扇面覆盖示意图扫描扇面覆盖示意图6九实实际际的的电电子子扫扫描描技技术术7九2.单波束扫描存在扫描周期与作用距离之间的单波束扫描存在扫描周期与作用距离之间的矛盾矛盾扫描快作用距离短；扫描快作用距离短；作用距离大，不能及时对作用距离大，不能及时对整个扇面扫描，目

3、标易丢失。整个扇面扫描，目标易丢失。8九旁扫声纳目标跟踪仿真旁扫声纳目标跟踪仿真9九设有一个束宽为设有一个束宽为 的单波束声呐，依靠通过旋的单波束声呐，依靠通过旋转基阵搜索一个扇面转基阵搜索一个扇面 ，为观察扇面内直到距，为观察扇面内直到距离离 的所有目标，要求的最短时间为的所有目标，要求的最短时间为10九其中，其中，为信号从阵到达最大距离尺的目标为信号从阵到达最大距离尺的目标往返的时间，往返的时间，在这一时间内波束不能旋转大于在这一时间内波束不能旋转大于一个波束的角度，否则就会丢失目标一个波束的角度，否则就会丢失目标。11九12九13九如果目标和声呐皆运动，则易失去目标，必须如果目标和声呐皆

4、运动，则易失去目标，必须提高数据率方能提高搜索速率。提高数据率方能提高搜索速率。解决途径：多波束系统显然可以提高搜索速度，解决途径：多波束系统显然可以提高搜索速度，而且利用预先形成的多个波束（预成多波束），而且利用预先形成的多个波束（预成多波束），使各个波束输出具有各自独立的信号处理通道，使各个波束输出具有各自独立的信号处理通道，可以保证时间处理增益不受损失。可以保证时间处理增益不受损失。多波束系统所需的最短扫描时间为多少？多波束系统所需的最短扫描时间为多少？14九二、线阵的自然指向性特性二、线阵的自然指向性特性等间距直线阵极大值、旁瓣和零点分布等间距直线阵极大值、旁瓣和零点分布15九极大值位

5、置极大值位置当当 时，时，取极大值，取极大值，即极大值在即极大值在 轴上的位置为轴上的位置为16九零点位置及个数零点位置及个数17九18九旁瓣位置旁瓣位置19九20九看下图两极大值之间有几个零点、旁瓣、看下图两极大值之间有几个零点、旁瓣、次级大、几元阵？次级大、几元阵？21九上图的功率图上图的功率图22九极坐标图；极坐标图；极坐标功率图极坐标功率图23九三、相移波束形成与时延波束形成三、相移波束形成与时延波束形成相移波束形成：阵元之间插入相移使主极大相移波束形成：阵元之间插入相移使主极大方向控制于不同方位的方法；一般在主动声呐方向控制于不同方位的方法；一般在主动声呐中时，常用相移波束形成；中时

6、，常用相移波束形成；时延波束形成：插入时延使波束控制于不同时延波束形成：插入时延使波束控制于不同方位的方法；在宽带应用（被动声呐中）时，方位的方法；在宽带应用（被动声呐中）时，则用时延波束形成，这是因为相移是频率的函则用时延波束形成，这是因为相移是频率的函数，而时延则可做到与频率无关。数，而时延则可做到与频率无关。24九123nN-125九26九27九极大值位置极大值位置28九左右第一零点位置左右第一零点位置29九主波束宽度与主瓣宽度主波束宽度与主瓣宽度30九（视频（视频BeamScaning）31九32九随着随着指向指向角的角的增大增大主波主波束宽束宽度增度增大。大。33九四、直线阵扫描角度

7、的限制四、直线阵扫描角度的限制中心非模中心非模糊扇面的概念糊扇面的概念利用相移补偿或时延补偿，使主波束利用相移补偿或时延补偿，使主波束（mainlobe）在空间一个扇面内转动指向（或）在空间一个扇面内转动指向（或称扫描）时，这一扇面的宽度实际上不是任意称扫描）时，这一扇面的宽度实际上不是任意的，存在一个极限值。当扇面超过这个极限时，的，存在一个极限值。当扇面超过这个极限时，将会出现将会出现方位模糊（方位模糊（beamscaning2）。34九线阵自然方向性与插入相移后的方向性函数线阵自然方向性与插入相移后的方向性函数N35九上图示出了线阵自然指向性和经相位补偿后的上图示出了线阵自然指向性和经相

8、位补偿后的指向性。假如有一扇面要搜索或扫描，如果第指向性。假如有一扇面要搜索或扫描，如果第一对副极大离所需搜索扇面边沿太近，则主波一对副极大离所需搜索扇面边沿太近，则主波束转动角度时，它们就会落人扇面内，从而造束转动角度时，它们就会落人扇面内，从而造成方位模糊或混淆。成方位模糊或混淆。不会出现方位模糊不会出现方位模糊出现方位模糊出现方位模糊36九由上图可知，则只要满足扫面扇面半宽度满足由上图可知，则只要满足扫面扇面半宽度满足下式就不会在扫面该扫面扇面内出现负极大：下式就不会在扫面该扫面扇面内出现负极大：不会出现方位模糊不会出现方位模糊出现方位模糊出现方位模糊37九中心非模糊扇面定义为：当波束扫

9、描或控制波中心非模糊扇面定义为：当波束扫描或控制波束转动方位时，不会在其中出现副极大值束转动方位时，不会在其中出现副极大值(grating lobe)的中心扇面。的中心扇面。不会出现方位模糊不会出现方位模糊出现方位模糊出现方位模糊38九39九40九五、中心非模糊扇面内的独立波束数五、中心非模糊扇面内的独立波束数由主波束宽度的一半由主波束宽度的一半式得知，均匀加权等间隔式得知，均匀加权等间隔N元线阵主波束宽度为元线阵主波束宽度为在采用不同组的相移补偿获得不同指向的多个在采用不同组的相移补偿获得不同指向的多个波束时，各波束间应有一定的覆盖，否则会造波束时，各波束间应有一定的覆盖，否则会造成漏目标。成漏目标。41九当以波束宽度一半处为覆盖点，以当以波束宽度一半处为覆盖点，以代人线阵波束图公式中，可以得到覆盖点的值代人线阵波束图公式中，可以得到覆盖点的值42九对应的分贝值为对应的分贝值为43九44九