Широкополосный Beamforming

Поддержка широкополосного Beamforming

Beamforming, достигнутые путем умножения входа датчика на комплексную экпоненту с соответствующей фазой, переключают, только запрашивает узкополосные сигналы. В случае широкополосного, или broadband, сигналы, держащийся вектор не является функцией одной частоты. Широкополосная обработка обычно используется в микрофоне и акустических приложениях.

Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ обеспечивает обычные и адаптивные широкополосные формирователи луча. Они включают:

Смотрите, что Акустический Beamforming Использует Массив Микрофона для примера использования широкополосного beamforming, чтобы извлечь речевые сигналы в шуме.

Beamforming с временной задержкой микрофона массив ULA

Скрипт Open Live Script

В этом примере показано, как выполнить широкополосную обычную задержку beamforming с массивом микрофона всенаправленных элементов. Создайте слуховой аппарат (волна давления) сигнал щебета. Сигнал щебета имеет пропускную способность 1 кГц и распространяет со скоростью 340 м/с на уровне земли.

Примечание: Этот пример запускается только в R2016b или позже. Если вы используете более ранний релиз, заменяете каждый вызов функции с эквивалентным step синтаксис. Например, замените myObject(x) с step(myObject,x).

c = 340;
t = linspace(0,1,50e3)';
sig = chirp(t,0,1,1000);

Соберите акустический щебет с ULA с десятью элементами. Используйте распределенные меньше элементов ненаправленного микрофона, чем половина длины волны в частоте дискретизации на 50 кГц. Щебет является инцидентом на ULA с углом $6 0^{\circ}$ азимут и $0^{\circ}$ вертикальное изменение. Добавьте случайный шум в сигнал.

microphone = phased.OmnidirectionalMicrophoneElement(...
    'FrequencyRange',[20 20e3]);
array = phased.ULA('Element',microphone,'NumElements',10,...
    'ElementSpacing',0.01);
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'SampleRate',5e4,...
    'PropagationSpeed',c,'ModulatedInput',false);
sigang = [60;0];
rsig = collector(sig,sigang);
rsig = rsig + 0.1*randn(size(rsig));

Примените широкополосный обычный формирователь луча с временной задержкой, чтобы улучшить ОСШ полученного сигнала.

beamformer = phased.TimeDelayBeamformer('SensorArray',array,...
    'SampleRate',5e4,'PropagationSpeed',c,'Direction',sigang);
y = beamformer(rsig);

subplot(2,1,1)
plot(t(1:5000),real(rsig(1:5e3,5)))
axis([0,t(5000),-0.5,1])
title('Signal (real part) at the 5th element of the ULA')
subplot(2,1,2)
plot(t(1:5000),real(y(1:5e3)))
axis([0,t(5000),-0.5,1])
title('Signal (real part) with time-delay beamforming')
xlabel('Seconds')

Визуализация широкополосной производительности формирователя луча

Скрипт Open Live Script

В этом примере показано, как построить ответ акустического элемента микрофона и массив элементов микрофона, чтобы подтвердить производительность формирователя луча. Массив должен обеспечить приемлемый шаблон массивов в пропускной способности.

Создайте универсальную линейную матрицу (ULA) с 11 элементами микрофонов с помощью элементов антенны косинуса в качестве микрофонов. phased.CosineAntennaElement Система object™ является достаточно общей, чтобы использоваться в качестве элемента микрофона также, потому что она создает или получает скалярное поле. Необходимо изменить частоты ответа в слышимую область значений. Кроме того, убедитесь PropagationSpeed параметр в массиве pattern методы установлены в скорость звука в воздухе.

c = 340;
freq = [1000 2750];
fc = 2000;
numels = 11;
microphone = phased.CosineAntennaElement('FrequencyRange',freq);
array = phased.ULA('NumElements',numels,...
   'ElementSpacing',0.5*c/fc,'Element',microphone);

Постройте шаблон ответа элемента микрофона по набору частот.

plotFreq = linspace(min(freq),max(freq),15);
pattern(microphone,plotFreq,[-180:180],0,'CoordinateSystem','rectangular',...
    'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb')

Этот график показывает, что шаблон элемента является постоянным по целой пропускной способности.

Постройте шаблон ответа массива с 11 элементами по тому же набору частот.

pattern(array,plotFreq,[-180:180],0,'CoordinateSystem','rectangular',...
    'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb','PropagationSpeed',c)

Этот график показывает, что шаблон элемента mainlobe уменьшается с частотой.

Применяйтесь фаза поддиапазона переключают формирователь луча к массиву. Направление интереса является азимутом на 30 ° и вертикальным изменением на 0 °. Существует 8 поддиапазонов.

direction = [30;0];
numbands = 8;
beamformer = phased.SubbandPhaseShiftBeamformer('SensorArray',array,...
   'Direction',direction,...
   'OperatingFrequency',fc,'PropagationSpeed',c,...
   'SampleRate',1e3,...
   'WeightsOutputPort',true,'SubbandsOutputPort',true,...
   'NumSubbands',numbands);
rx = ones(numbands,numels);
[y,w,centerfreqs] = beamformer(rx);

Постройте шаблон ответа массива с помощью весов и центральных частот от формирователя луча.

pattern(array,centerfreqs.',[-180:180],0,'Weights',w,'CoordinateSystem','rectangular',...
    'PlotStyle','waterfall','Type','powerdb','PropagationSpeed',c)

Вышеупомянутый график показывает beamformed шаблон на центральной частоте каждого поддиапазона.

Постройте шаблон ответа на трех частотах в двух измерениях.

centerfreqs = fftshift(centerfreqs);
w = fftshift(w,2);
idx = [1,5,8];
pattern(array,centerfreqs(idx).',[-180:180],0,'Weights',w(:,idx),'CoordinateSystem','rectangular',...
    'PlotStyle','overlay','Type','powerdb','PropagationSpeed',c)
legend('Location','South')

Этот график показывает, что основное направление луча остается постоянным, в то время как ширина луча уменьшается с частотой.

Документация