Документация

Поддержка широкополосного формирования луча

Формирование луча, достигаемое умножением входного сигнала датчика на комплексную экпоненту с соответствующим сдвигом фазы, применяется только к узкополосным сигналам. В случае широкополосных, или broadband сигналов, вектор управления не является функцией одной частоты. Широкополосная обработка обычно используется в микрофонных и акустических приложениях.

Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ предоставляет обычные и адаптивные широкополосные лучевые форматоры. Они включают в себя:

Смотрите Акустическое Формирование Луча Использование Микрофонного Массива для примера использования широкополосного формирования луча для извлечения речевых сигналов в шуме.

Задержка формирования луча массива ULA микрофона

Этот пример показывает, как выполнить широкополосное обычное формирование луча с временной задержкой с помощью микрофонного массива всенаправленных элементов. Создайте акустический (волна давления) сигнал щебета. Сигнал щебета имеет полосу пропускания 1 кГц и распространяется со скоростью 340 м/с на уровне земли.

Примечание.Этот пример выполняется только в R2016b или более поздней версии. Если вы используете более ранний релиз, замените каждый вызов функции на эквивалентный step синтаксис. Для примера замените myObject(x) с step(myObject,x).

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

Соберите акустический щебет с десятиэлементным ULA. Используйте всенаправленные элементы микрофона с интервалом менее половины длины волны на частоте дискретизации 50 кГц. Щебет падает на ULA с углом $$60^{\circ }$$ азимут и $$0^{\circ }$$ повышение. Добавьте случайный шум к сигналу.

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 блок формирования луча с временной задержкой для улучшения ОСШ принимаемого 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 эффективности широкополосного Beamformer

Этот пример показывает, как построить график отклика элемента акустического микрофона и массива элементов микрофона, чтобы подтвердить эффективность beamformer. Массив должен поддерживать приемлемый шаблон массива на всей полосе пропускания.

Создайте 11-элементный равномерный линейный массив (ULA) микрофонов, используя антенные элементы косинуса в качестве микрофонов. The phased.CosineAntennaElement Системный object™ является достаточно общим, чтобы использоваться в качестве элемента микрофона, потому что он создает или получает скалярное поле. Необходимо изменить частоты отклика на звуковую область значений. В сложении убедитесь, что PropagationSpeed параметр в массиве pattern методы устанавливаются на 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 график диаграммы направленности 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 всей полосе пропускания.

Постройте график диаграммы направленности массива с 11 элементами на том же наборе частот.

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

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

Примените к массиву поддиапазон фазового сдвига. Направление интереса 30 ° азимут и 0 ° повышения. 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 график диаграммы направленности массива с помощью весов и центральных частот от beamformer.

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

Вышеописанный график показывает диаграмму шаблона на центральной частоте каждого поддиапазона.

Постройте график диаграммы направленности на трех частотах в двухмерных 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 направление основного луча остается постоянным, в то время как ширина луча уменьшается с частотой.