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【深度好文】声纳波束形成技术详解从时域到频域的近场聚焦摘要在声纳信号处理中波束形成Beamforming是核心技术之一。
传统的波束形成往往基于远场平面波假设但在实际应用中尤其是对于大型阵列或近距离目标近场效应不可忽视。
本文基于Niko Moritz的论文研究深入探讨时域与频域的波束形成算法分析延时求和、插值、FFT及相移波束形成器的优劣并重点讨论近场聚焦中的关键问题及带宽对性能的影响。
引言为什么需要关注近场Near-Field在阵列信号处理的许多文献中为了简化计算通常假设声源位于“远场”。
这意味着声波到达阵列时被视为平面波Planar Wave。
然而当声源距离阵列较近即处于近场时声波表现为球面波Spherical Wave。
此时声波到达阵列各阵元的路径差不仅与入射角有关还与距离有关。
如果我们忽略这种曲率波束图Beam Pattern将严重退化导致旁瓣升高、主瓣展宽甚至无法准确探测目标。
因此聚焦Focusing——即在距离维度的波束控制——变得至关重要。
数字换能器通道的时间延迟示意图。
在近场情况下波前的曲率导致各阵元的延迟不仅取决于角度还取决于距离。
波束形成算法概览
1 延时求和波束形成Delay and Sum Beamformer这是最直观的时域方法。
其核心思想是对每个传感器的信号进行采样、加权、延时然后相加。
原理公式br(t)∑n1Nan⋅xn(t−τn,r) b_r(t) \sum_{n1}^{N} a_n \cdot x_n(t - \tau_{n,r})br(t)n1∑Nan⋅xn(t−τn,r)其中τn,r\tau_{n,r}τn,r是第nnn个传感器对于第rrr个波束的延时。
优点实现简单宽带性能好。
缺点为了获得高精度的延时分辨率需要极高的采样率通常远高于奈奎斯特频率导致数据存储和传输压力巨大。
离散时间延时求和波束形成器原理图。
2 插值波束形成Interpolation Beamformer为了降低采样率要求可以在波束形成前对信号进行数字插值。
核心思想先以满足奈奎斯特准则的低采样率采集信号再通过插值算法如三次样条插值 Cubic Spline重构出所需的精确延时点。
优势大幅降低了对A/D转换器和线缆带宽的要求。
论文发现相比于多项式插值三次样条插值在保证精度的同时避免了高阶多项式的振荡现象Runge现象。
3 FFT 波束形成频域利用频域处理的高效性将时域的卷积转化为频域的乘法。
原理利用傅里叶变换的位移性质时域的延时对应频域的相移x(t−τ)⟷X(ω)⋅e−jωτ x(t-\tau) \longleftrightarrow X(\omega) \cdot e^{-j\omega\tau}x(t−τ)⟷X(ω)⋅e−jωτ挑战在近场应用中由于不同距离的延时不同且信号非平稳不能简单地用单个FFT块处理。
论文提出使用**重叠相加法Overlap Add Method**进行快速卷积将长信号切分为短块每块应用不同的聚焦参数。
频域波束形成器结构图。
4 相移波束形成Phase Shift Beamformer原理对于窄带信号可以通过相移来近似时延e−jϕe−j2πf0τ e^{-j\phi} e^{-j2\pi f_0 \tau}e−jϕe−j2πf0τ局限性这种近似仅在中心频率f0f_0f0附近有效。
对于宽带信号频率偏离中心越远相位误差越大导致波束形成质量下降。
算法性能对比
总结根据论文分析四种方法的对比如下表所示波束形成技术低通信号带通信号窄带信号A/D要求数据存储计算复杂度延时求和●高高低插值法●低低-中低-中FFT法●●*低低-中中相移法●*●低低低*注带通信号通常先转换为等效低通信号复包络再处理。
近场效应与FFT块长度分析在近场波束形成中一个关键问题是近场的边界在哪里论文引入了菲涅尔区Fresnel Zone的概念。
1 菲涅尔区与主瓣展宽当目标距离太近时阵列孔径内包含多个菲涅尔区导致主瓣严重展宽甚至分裂。
论文推导出的远场起始距离经验公式为∣r⃗∣≥13⋅LA2λ |\vec{r}| \geq \frac{1}{3} \cdot \frac{L_A^2}{\lambda}∣r∣≥31⋅λLA2其中LAL_ALA是天线孔径λ\lambdaλ是波长。
菲涅尔波带片示例。
明亮圆环表示同相叠加区域。
当目标过近波束图会出现类似衍射的展宽。
2 FFT块长度的限制对于FFT波束形成由于在一个FFT块内无法动态调整聚焦深度必须限制块长度以保证聚焦深度Depth of Field, DOF覆盖整个块。
结论随着观测距离增加允许的聚焦公差Tolerance Range变大因此可以使用更长的FFT块。
SNR Loss论文定义了
6 dB的信噪比损失作为阈值用来确定在特定距离下是否需要重新聚焦。
聚焦距离与最小可容忍观测距离的关系。
这是设计动态聚焦系统的关键依据。
信号带宽的影响宽带 vs 窄带论文通过仿真LFM线性调频信号直观展示了带宽对波束形成质量的影响。
1 实验设置中心频率fc15 kHzf_c 15 \text{ kHz}fc15kHz带宽B10 kHzB 10 \text{ kHz}B10kHz(从 10kHz 到 20kHz)对比对象FFT波束形成器 vs 相移波束形成器
2 结果分析仿真结果表明对于宽带信号FFT波束形成器表现优异。
因为它在每个频点都应用了正确的相移天然适合宽带处理。
相移波束形成器在频带边缘如10kHz和20kHz处出现了严重的指向性偏差。
这是因为其相移参数仅针对中心频率15kHz计算导致边缘频率存在巨大的相位失配最高可达60度。
10kHz带宽的LFM信号波束图对比。
蓝色为FFT法绿色为相移法。
可见相移法的主瓣增益下降且旁瓣不对称。
结论与建议宽带应用Wideband强烈建议使用FFT波束形成或时域插值波束形成。
FFT法在处理被动声纳信号时效率极高且能很好地处理宽带信号。
窄带应用Narrowband相移波束形成器是最高效的选择计算成本极低易于硬件实现。
近场处理必须引入聚焦机制。
对于FFT波束形成需采用重叠相加法Overlap Add并根据目标距离动态调整块长度以在计算效率和聚焦精度之间取得平衡。
硬件成本通过采用插值技术或频域方法可以显著降低对前端A/D采样率的要求从而降低系统总成本。
参考文献[1] Moritz, N. (